Где применяют трансформаторы – Понижающие трансформаторы где и для чего применяются, особенности работы понижающих трансформаторов — groupnk.ru — Группа НК — комплексные поставки электрооборудования в Москве и регионах

Содержание

Виды трансформаторов. Где и для чего применяются?

Здравствуйте, дорогие друзья! Сегодня поговорим про виды трансформаторов, рассмотрим их общее устройство и принцип работы, узнаем где применяются. И так…

В энергетике и электротехнике постоянно требуется преобразование тока из одного состояния в другое. В этих процессах активно участвуют различные виды трансформаторов, представляющие собой электромагнитные статические устройства, без каких-либо подвижных частей. В основе их действия лежит электромагнитная индукция, посредством которой переменный ток одного напряжения преобразуется в переменный ток другого напряжения. При этом частота остается неизменной, а потери мощности совсем незначительные.

Общее устройство и принцип работы

Каждый трансформатор оборудуется двумя или более обмотками, индуктивно связанными между собой. Они могут быть проволочными или ленточными, покрытыми изоляционным слоем. Обмотки наматываются на сердечник, он же магнитопровод, выполненный из мягких ферромагнитных материалов. При наличии одной обмотки, такое устройство называется автотрансформатором.

Принцип действия трансформатора довольно простой и понятный. На первичную обмотку устройства подается переменное напряжение, что приводит к течению в ней переменного тока. Этот переменный ток, в свою очередь, вызывает создание в магнитопроводе переменного магнитного потока. Под его воздействием в первичной и вторичной обмотках происходит наведение переменной электродвижущей силы (ЭДС). Когда вторичная обмотка замыкается на нагрузку, по ней также начинает течь переменный ток. Этот ток во вторичной системе отличается собственными параметрами. У него индивидуальные показатели тока и напряжения, количество фаз, частота и форма кривой напряжения.

В конструкцию простейшего силового трансформатора входит магнитопровод, изготавливаемый из ферромагнитных материалов, преимущественно из листовой электротехнической стали. На стержнях магнитопровода – сердечника располагаются первичная и вторичная обмотки. Первичная обмотка соединяется с источником переменного тока, а вторичная подключается к потребителю.

Типы трансформаторов

В соответствии со своими параметрами и характеристиками, все виды трансформаторов разделяются:

По количеству фаз могут быть одно- или трехфазными
В соответствии с числом обмоток, трансформаторы бывают двух- или трехобмоточными, а также двух- или трехобмоточными с расщепленной обмоткой
По типу изоляции – сухие (С) и масляные (М) или с негорючим заполнением (Н)
По видам охлаждения – с естественным масляным охлаждением (М), с масляным охлаждением и воздушным дутьем (Д), принудительная циркуляция масляного охлаждения (Ц), сухие трансформаторы с воздушным охлаждением (С). Кроме того, существуют устройства без расширителей, для защиты которых используется азотная подушка.

Среди многообразных трансформаторных устройств чаще всего встречаются трансформаторы:

силовые
измерительные
специальные

Силовые трансформаторы

Термином «силовой» определяют назначение, связанное с преобразованием высоких мощностей. Вызвано это тем, что большинство бытовых и производственных потребителей электрических сетей нуждаются в питании напряжением 380/220 вольт. Однако доставка его на большие расстояния связана с огромными потерями энергии, которые снижаются за счет использования высоковольтных линий.

Воздушные ЛЭП высокого напряжения соединяют в единую сеть подстанции с силовыми трансформаторами соответствующего класса.

Силовой трансформатор 110 кВ

А по другим линиям напряжение 6 или 10 кВ подводится к силовым трансформаторам, обеспечивающих питанием 380/220 вольт жилые комплексы и производственные предприятия.

Силовой мачтовый трансформатор 10 на 0,4 кВ

Измерительные трансформаторы

В этом классе работают два вида устройств, обеспечивающих в целях измерения параметров сети преобразования:

тока
напряжения

Измерительные трансформаторы создаются с высоким классом точности. Во время эксплуатации их метрологические характеристики периодически подвергают поверке на правильность измерения как величин, так и углов отклонения векторов тока и напряжения.

Трансформаторы тока

Главная особенность их устройства заключается в том, что они постоянно эксплуатируются в режиме короткого замыкания. У них вторичная обмотка полностью закорочена на маленькое сопротивление, а остальная конструкция приспособлена для такой работы.

Чтобы исключить аварийный режим входная мощность ограничивается специальным устройством первичной обмотки: в ней создается всего один виток, который не может создать при протекании по нему тока большого падения напряжения на обмотке и, соответственно, передать в магнитопровод высокую мощность.

Этот виток врезается непосредственно в силовую цепь, обеспечивая его последовательное подключение. У отдельных конструкций просто создается сквозное отверстие в сердечнике, через которое пропускают провод с первичным током.

Нагрузку вторичных цепей трансформатора тока, находящегося под напряжением, нельзя разрывать. Все провода и соединительные клеммы по этой причине изготавливаются с повышенной механической прочностью. В противном случае на разорванных концах сразу возникает высоковольтное напряжение, способное повредить вторичные цепи.

Благодаря работе трансформаторов тока создается возможность обеспечения постоянного контроля и анализа нагрузок, протекающих в электрической системе. Особенно это актуально на высоковольтном оборудовании.

Измерительные трансформаторы тока 110 кВ

Номинальные значения вторичных токов измерительных трансформаторов энергетики принимают в 5 ампер для оборудования до 110 кВ включительно и 1 А — выше.

Широкое применение трансформаторы тока нашли в измерительных приборах. За счет использования конструкции раздвижного магнитопровода удается быстро выполнять различные замеры без разрыва электрической цепи, что необходимо делать при использовании обычных амперметров.

Токовые клещи с раздвижным магнитопроводом трансформатора тока позволяют обхватить любой проводник с напряжением и замерить величину и угол вектора тока.

Трансформаторы напряжения

Отличительная особенность этих конструкций заключается в том, что они работают в режиме, близком к состоянию холостого хода, когда величина их выходной нагрузки невысокая. Они подключается к той системе напряжений, величина которой будет измеряться.

Измерительный трансформатор напряжения 110 кВ

Измерительные трансформаторы напряжения обеспечивают гальваническую развязку оборудования первичных и вторичных цепей, работают в каждой фазе высоковольтного оборудования.

Из них создают целые комплексы систем измерения, позволяющие фильтровать и выделять различные составляющие векторов напряжения, учет которых необходим для точной работы защит, блокировок, систем сигнализации.

За счет работы трансформаторов тока и напряжения снимают вектора вторичных величин, пропорциональные первичным в реальном масштабе времени. Это позволяет не только создавать цепи измерения и защит по току и напряжению, но и за счет математических преобразований векторов анализировать состояние мощностей и сопротивлений в действующей электрической системе.

Специальные виды трансформаторов

К этой группе относят:

разделительные
согласующие
высокочастотные
сварочные и другого типа трансформаторные устройства, созданные для выполнения специальных электрических задач

Разделительные трансформаторы

Размещение двух обмоток совершенно одинаковой конструкции на общем магнитопроводе позволяет из 220 вольт 50 герц на входе получать такое же напряжение на выходе.

Напрашивается вопрос: зачем делать такое преобразование? Ответ прост: в целях обеспечения электрической безопасности.

Разделительный трансформатор с системой контроля изоляции, тока нагрузки, температуры трансформатора

При пробое изоляционного слоя провода первичной схемы, на корпусе прибора появляется опасный потенциал, который по случайно сформированной цепи через землю способен поразить человека электрическим током, нанести ему электротравму.

Гальваническое разделение схемы позволяет оптимально использовать питание электрооборудования и в то же время исключает получение травм при пробоях изоляции вторичной схемы на корпус.

Поэтому разделительные трансформаторы широко используются там, где проведение работ с электроинструментом требует принятия дополнительных мер безопасности. Также они широко используются в медицинском оборудовании, допускающем непосредственный контакт с телом человека.

Высокочастотные трансформаторы

Отличаются от обычных материалом магнитопровода, который способен, в отличие от обычного трансформаторного железа, хорошо, без искажений передавать высокочастотные сигналы.

Используется в электротермии, в частности при индукционном нагреве в электротермических установках для высокочастотной сварки металлов, плавки, пайки, закалки и т.д.

Согласующие трансформаторы

Основное назначение — согласование сопротивлений разных частей в электронных схемах. Согласующие трансформаторы нашли широкое применение в антенных устройствах и конструкциях усилителей на электронных лампах звуковых частот.

Сварочные трансформаторы

Первичная обмотка создается с большим число витков, позволяющих нормально обрабатывать электрическую энергию с входным напряжением 220 или 380 вольт. Во вторичной обмотке число витков значительно меньше, а ток протекающий по ним высокий. Он может достигать тысяч ампер.

Поэтому толщина провода этой цепи выбирается повышенного поперечного сечения. Для управления сварочным током существует много различных способов.

Сварочные трансформаторы массово работают в промышленных установках и пользуются популярностью у любителей изготавливать различные самоделки своими руками.

Рассмотренные виды трансформаторов являются наиболее распространёнными. В электрических схемах работают и другие подобные устройства, выполняющие специальные задачи технологических процессов.

Смотрите также по теме:

Трансформатор Тесла (Tesla coil). Делаем своими руками.

Принцип работы трансформатора. Устройство и режимы работы.

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

Назначение и области применения трансформаторов

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

С помощью трансформаторов повышается или понижается напряжение, изменяется число фаз, а в некоторых случаях преобразуется частота переменного тока. Возможность передачи электрических сигналов от одной обмотки к другой посредством взаимоиндукции была открытаМ. Фарадеем в 1831 г.; при изменении тока в одной из обмоток, намотанной на стальной магнитопровод, в другой обмотке индуцировалась ЭДС Однако первый практически работающий трансформатор создал известный изобретатель П. Н. Яблочков

в содружестве с И. Ф. Усагиным в 1876 г. Это был двухобмоточный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом.

В дальнейшем несколько конструкций однофазных трансформаторов с замкнутым магнитопроводом были созданы венгерскими электротехниками О. Блати, М. Дери и К. Циперноеским. Для развития трансформаторостроения и вообще электромашиностроения большое значение имели работы проф. А. Г. Столетова по исследованию магнитных свойств стали и расчету магнитных цепей.

Важная роль в развитии электротехники принадлежит М. О. Доливо-Добровольскому. Он разработал основы теории многофазных и, в частности, трехфазных переменных токов и создал первые трехфазные электрические машины и трансформаторы. Трехфазный трансформатор современной формы с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости, был изобретен им в 1891 г. С тех пор происходило дальнейшее конструктивное усовершенствование трансформаторов, уменьшалась их масса и габариты, повышалась экономичность. Основные положения теории трансформаторов были разработаны в трудах

Е. Арнольда и М. Видмара.

В развитии теории трансформаторов и совершенствовании их конструкции большое значение имели работы советских ученых В. В. Корицкого, Л. М. Пиотровского, Г. Н. Петрова, А. В. Сапожникова, А. В. Трамбицкого

и др.

Трансформаторы широко используют для следующих целей.

Для передачи и распределения электрической энергии. Обычно на электростанциях генераторы переменного тока вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6—24 кВ. Передавать же электроэнергию на дальние расстояния выгодно при больших напряжениях, поэтому на каждой электростанции устанавливают трансформаторы, повышающие напряжение.

В настоящее время для высоковольтных линий электропередачи в СССР применяют силовые трансформаторы с масляным охлаждением напряжением 330, 500 и 750 кВ, мощностью до 1200—1600 MB-А. В связи со строительством дальних линий электропередачи Экибастуз — Центр, Экибастуз — Урал и других напряжением 1150 кВ переменного тока наша электропромышленность создала трансформаторные группы, состоящие из трех однофазных трансформаторов мощностью 667 MB-А, а для линий 1500 В постоянного тока — двенадцатифазные преобразовательные блоки с четырехобмоточными трансформаторами общей мощностью 1500 MB-А. КПД таких трансформаторов составляет 98 — 99% и выше.

Для перспективных линий электропередачи переменного тока напряжением 1800—2000 кВ и постоянного тока напряжением 3000 кВ разрабатывают трансформаторы мощностью 1320 MB-А на одну фазу.

Электрическая энергия распределяется между промышленными предприятиями и населенными пунктами, в городах и сельских местностях, а также внутри промышленных предприятий по воздушным и кабельным линиям при напряжении 220, 110, 35, 20, 10 и 6 кВ. Следовательно, во всех узлах распределительных сетей должны быть установлены трансформаторы, понижающие напряжение. Кроме того, понижающие трансформаторы следует устанавливать в пунктах потребления электроэнергии, так как большинство электрических потребителей переменного тока работает при напряжениях 220, 380 и 660 В. Таким образом, электрическая энергия при передаче от электрических станций к потребителям подвергается в трансформаторах многократному преобразованию (3 — 5 раз). Применяемые для этих целей трансформаторы могут быть одно-и трехфазными, двух- и трехобмоточными.

Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжений на входе и выходе преобразователя. В вентильных преобра зователях, выпрямляющих переменный ток или преобразующих его из постоянного в переменный (инверторы), отношение напряжений на входе и выходе зависит от схемы включения вентилей. Поэтому если на вход преобразователя подается стандартное напряжение, то на выходе получается нестандартное. Для устранения этого недостатка вентильные преобразователи, как правило, снабжают трансформаторами, обеспечивающими стандартное выходное напряжение при принятой схеме включения вентилей. Кроме того, ряд схем включения вентилей требует обязательного применения трансформатора. Трансформаторы, применяемые для этой цели, называют

преобразовательными. Их мощность достигает тысяч 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.

В последнее время для возбуждения мощных турбо-и гидрогенераторов, электропривода и других целей все шире начинают применять трансформаторы с естественным воздушным охлаждением напряжением 3 — 24 кВ и мощностью 133-6300 кВ-А. Благодаря использованию в этих трансформаторах новой теплостойкой изоляции удается повысить их нагрузочную способность и в 1,3 — 1,5 разасократить, массогабаритные показатели по сравнению с применявшимися ранее трансформаторами с масляным охлаждением.

Для различных технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питания электротермических установок (электропечные трансформаторы) и др. Мощность их достигает десятков тысяч киловольт-ампер при напряжении до 10 кВ; они работают обычно при частоте 50 Гц.
Для питания различных цепей радио- и телевизионной аппаратуры; устройств связи, автоматики в телемеханики, электробытовых приборов; для разделения электрических цепей различных элементов этих устройств; для согласования напряжений и т. п. Трансформаторы, используемые в этих устройствах, обычно имеют малую мощность (от нескольких вольт-ампер до нескольких киловольтампер), невысокое напряжение, работают при частоте 50 Гц и более. Их выполняют двух-, трех- и многообмоточными; условия работы, предъявляемые к ним требования и принципы проектирования весьма специфичны.
Для включения электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов, например реле, в электрические цепи высокого напряжения или в цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопасности. Трансформаторы, применяемые для этой цели, называют
измерительными. Они имеют сравнительно небольшую мощность, определяемую мощностью, потребляемой электроизмерительными приборами, реле и др.

Трансформаторы, перечисленные в п. 1, 2, 3 и частично в п. 4, предназначенные для преобразования электрической энергии в сетях энергосистем и потребителей электрической энергии, называют силовыми. Для режима их работы характерны неизменная частота переменного тока и очень малые отклонения первичного и вторичного напряжений от номинальных значений.

Силовые трансформаторы, выпускаемые отечественными заводами, разделены на несколько групп (габаритов) от I до VIII. Например, трансформаторы мощностью до 100 кВ•А включительно относят к габариту I, от 160 до 630 кВ • А — к габариту II, от 1000 до 6300 кВ • А — к габариту III и т. п.

В данной главе в основном рассматривается теория силовых трансформаторов; другие же виды трансформаторов рассмотрены кратко на основе общей теории.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора состоит из двух обмоток (рис. 2.1), размещенных на замкнутом магнитопроводе, который выполнен из ферромагнитного материала. Применение ферромагнитного магнитопровода позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т. е. уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому проходит магнитный поток машины. Первичную обмотку 1 подключают к источнику переменного тока — электрической сети с напряжением u

1. Ко вторичной обмотке 2 присоединяют сопротивление нагрузки Z_H.

Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а низкого напряжения — обмоткой низшего напряжения (НН). Начала и концы обмотки ВН обозначают буквами А и X; обмотки НН — буквами а и х.

При подключении к сети в первичной обмотке возникает переменный ток i₁

, который создает переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуцирует в обеих обмотках переменные ЭДС — е₁ и е₂, пропорциональные, согласно закону Максвелла, числам витков w₁ и w₂ соответствующей обмотки и скорости изменения потока dФ/dt.

Рис. 2.1. Электромагнитная система однофазного трансформатора : 1,2 — первичная и вторичная обмотки; 3 — магнитопровод

Таким образом, мгновенные значения ЭДС, индуцированные в каждой обмотке,

е₁ = — w₁ dФ/dt; е2= -w₂dФ/dt.

Следовательно, отношение мгновенных и действующих ЭДС в обмотках определяется выражением

E₁/E₂= e₁/e₂= w₁/w₂.

(2.1)

Если пренебречь падениями напряжения в обмотках трансформатора, которые обычно не превышают 3 — 5% от номинальных значений напряжений U₁ и U₂, и считать E₁≈U _l и Е₂≈U₂, то получим

U₁/U₂≈w₁/w₂.

(2.2)

Следовательно, подбирая соответствующим образом числа витков обмоток, при заданном напряжении U₁ можно получить желаемое напряжение U₂. Если необходимо повысить вторичное напряжение, то число витков w₂ берут больше числа w₁; такой трансформатор называют повышающим. Если требуется уменьшить напряжение U₂, то число витков w₂ берут меньшим w₁; такой трансформатор называют понижающим,

Отношение ЭДС Е_ВН обмотки высшего напряжения к ЭДС Е_НН обмотки низшего напряжения (или отношение их чисел витков) называют коэффициентом трансформации

k= Е_ВН/Е_НН = w_ВН/w_НН

(2.3)

Коэффициент k всегда больше единицы.

В системах передачи и распределения энергии в ряде случаев применяют трехобмоточные трансформаторы, а в устройствах радиоэлектроники и автоматики — многообмоточные трансформаторы. В таких трансформаторах на магнитопроводе размещают три или большее число изолированных друг от друга обмоток, что дает возможность при питании одной из обмоток получать два или большее число различных напряжений (U₂, U₃, U₄ и т.д.) для электроснабжения двух или большего числа групп потребителей. В трехобмоточных силовых трансформаторах различают обмотки высшего, низшего и среднего (СН) напряжений.

В трансформаторе преобразуются только напряжения и токи. Мощность же остается приблизительно постоянной (она несколько уменьшается из-за внутренних потерь энергии в трансформаторе). Следовательно,

I₁/I₂≈ U₂/U₁≈ w₂/w₁.

(2.4)

При увеличении вторичного напряжения трансформатора в k раз по сравнению с первичным, ток i₂ во вторичной обмотке соответственно уменьшается в k раз.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора подключить к источнику постоянного тока, то в его магнито-проводе образуется магнитный поток, постоянный во времени по величине и направлению. Поэтому в первичной и вторичной обмотках в установившемся режиме не индуцируются ЭДС, а следовательно, не передается электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Такой режим опасен для трансформатора, так как из-за отсутствия ЭДС E₁ первичной обмотке ток I₁ =U₁R₁ весьма большой.

Важным свойством трансформатора, используемым в устройствах автоматики и радиоэлектроники, является способность его преобразовывать нагрузочное сопротивление. Если к источнику переменного тока подключить сопротивление R через трансформатор с коэффициентом трансформации к, то для цепи источника

R’ = P₁/I₁²≈ P₂/I₁²≈ I₂²R/I₁²≈ k²R

(2.5)

где Р₁— мощность, потребляемая трансформатором от источника переменного тока, Вт; Р₂ = I₂²R≈ P₁ — мощность, потребляемая сопротивлением R от трансформатора.

Таким образом, трансформатор изменяет значение сопротивления R в k² раз. Это свойство широко используют при разработке различных электрических схем для согласования сопротивлений нагрузки с внутренним сопротивлением источников электрической энергии.

42. Идеальный и реальный трансформаторы. Векторная диаграмма и схемы замещения.

Трансформаторы — устройство, принцип работы и область применения, основные типы и характеристики

Трансформаторы — это устройства предназначенные для преобразования электроэнергии. Их основная задача — изменение значения переменного напряжения.

Трансформаторы используются как в виде самостоятельных приборов, так и в качестве составных элементов других электротехнических устройств.

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

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

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

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

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

Эта величина называется коэффициентом трансформации: Ктр=W₁/W₂=U₁/U₂, где:

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

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

ВИДЫ И ТИПЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

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

Автотрансформаторы.
: Они имеют одну обмотку с несколькими отводами. За счет переключения между этими отводами можно получить разные показатели напряжения. К недостаткам следует отнести отсутствие гальванической развязки между входом и выходом.
Импульсные трансформаторы.
: Предназначены для преобразования импульсного сигнала незначительной продолжительности (около десятка микросекунд). При этом форма импульса искажается минимально. Обычно используется в цепях обработки видеосигнала.
Разделительный трансформатор.
: Конструкция этого устройства предусматривает полное отсутствие электрической связи между первичной и вторичными обмотками, то есть обеспечивает гальваническую развязку между входными и выходными цепями. Используется для повышения электробезопасности и, как правило, имеет коэффициент трансформации равный единице.
Пик—трансформатор.
: Используется для управления полупроводниковыми электрическими устройствами типа тиристоров. Преобразует синусоидальное напряжение переменного тока в пикообразные импульсы.

Стоит выделить способ классификации трансформаторов по способу их охлаждения.

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

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

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

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

К основным техническим характеристиками трансформаторов можно отнести:

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

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

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

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

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

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

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

В зависимости от назначения трансформаторы делят на:

Силовые.

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

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

Тока.

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

В зависимости от выполняемых функций различают следующие виды:

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

Напряжения.

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

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Применение трансформаторов — Трансформаторы

Повседневно трансформаторы применяются в электросетях и в источниках питания различных приборов.

Применение в электросетях

Поскольку потери на нагревание провода пропорциональны квадрату тока, проходящего через провод, при передаче электроэнергии на большое расстояние выгодно использовать очень большие напряжения и небольшие токи. Из соображений безопасности и для уменьшения массы изоляции в быту желательно использовать не столь большие напряжения. Поэтому для наиболее выгодной транспортировки электроэнергии в электросети многократно применяют трансформаторы: сначала для повышения напряжения генераторов на электростанциях перед транспортировкой электроэнергии, а затем для понижения напряжения линии электропередач до приемлемого для потребителей уровня.

Поскольку в электрической сети три фазы, для преобразования напряжения применяют трёхфазные трансформаторы, или группу из трёх однофазных трансформаторов, соединённых в схему звезды или треугольника. У трёхфазного трансформатора сердечник для всех трёх фаз общий.

Несмотря на высокий КПД трансформатора (для трансформаторов большой мощности — свыше 99 %), в очень мощных трансформаторах электросетей выделяется большая мощность в виде тепла (например, для типичной мощности блока электростанции 1 ГВт на трансформаторе может выделяться мощность до нескольких мегаватт). Поэтому трансформаторы электросетей используют специальную систему охлаждения: трансформатор помещается в баке, заполненном трансформаторным маслом или специальной негорючей жидкостью. Масло циркулирует под действием конвекции или принудительно между баком и мощным радиатором. Иногда масло охлаждают водой. «Сухие» трансформаторы используют при относительно малой мощности (до 16000 кВт).

Применение в источниках электропитания

Для питания различных электроприборов требуются самые разнообразные напряжения. Блоки электропитания в устройствах, которым необходимо несколько напряжений различной величины содержат трансформаторы с несколькими вторичными обмотками или содержат в схеме дополнительные трансформаторы. Например, в телевизоре с помощью трансформаторов получают напряжения от 5 вольт (для питания микросхем и транзисторов) до 30 киловольт (для питания анода кинескопа).

В прошлом в основном применялись трансформаторы, работающие с частотой электросети, то есть 50-60 Гц.

В схемах питания современных радиотехнических и электронных устройств (например в блоках питания персональных компьютеров) широко применяются высокочастотные импульсные трансформаторы. В импульсных блоках питания переменное напряжение сети сперва выпрямляют, а затем преобразуют при помощи инвертора в высокочастотные импульсы. Система управления с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) позволяет стабилизировать напряжение. После чего импульсы высокой частоты подаются на импульсный трансформатор, на выходе с которого, после выпрямления и фильтрации получают стабильное постоянное напряжение.

В прошлом сетевой трансформатор (на 50-60 Гц) был одной из самых тяжёлых деталей многих приборов. Дело в том, что линейные размеры трансформатора определяются передаваемой им мощностью, причём оказывается, что линейный размер сетевого трансформатора примерно пропорционален мощности в степени 1/4. Размер трансформатора можно уменьшить, если увеличить частоту переменного тока. Поэтому современные импульсные блоки питания при одинаковой мощности значительно легче.

Трансформаторы 50-60 Гц, несмотря на их недостатки, продолжают использовать в схемах питания, в случая, когда надо обеспечить минимальный уровень высокочастотных помех, например в высококачественном звуковоспроизведении.

Другие применения трансформатора

Разделительные трансформаторы (трансформаторная гальваническая развязка). Нейтральный провод электросети может иметь контакт с «землёй», поэтому при одновременном касании человеком фазового провода (а также корпуса прибора с плохой изоляцией) и заземлённого предмета тело человека замыкает электрическую цепь, что создаёт угрозу поражения электрическим током. Если же прибор включён в сеть через трансформатор, касание прибора одной рукой вполне безопасно, поскольку вторичная цепь трансформатора никакого контакта с землёй не имеет.
Импульсные трансформаторы (ИТ). Основное применение заключается в передаче прямоугольного электрического импульса (максимально крутой фронт и срез, относительно постоянная амплитуда). Он служит для трансформации кратковременных видеоимпульсов напряжения, обычно периодически повторяющихся с высокой скважностью. В большинстве случаев основное требование, предъявляемое к ИТ, заключается в неискажённой передаче формы трансформируемых импульсов напряжения; при воздействии на вход ИТ напряжения той или иной формы на выходе желательно получить импульс напряжения той же самой формы, но, быть может, иной амплитуды или другой полярности.
Измерительные трансформаторы. Применяют для измерения очень больших или очень маленьких переменных напряжений и токов в цепях РЗиА.
Измерительный трансформатор постоянного тока. На самом деле представляет собой магнитный усилитель, при помощи постоянного тока малой мощности управляющий мощным переменным током. При использовании выпрямителя ток выхода будет постоянным и зависеть от величины входного сигнала.
Измерительно-силовые трансформаторы. Имеют широкое применение в схемах генераторов переменного тока малой и средней мощности (до мегаватта), например, в дизель-генераторах. Такой трансформатор представляет собой измерительный трансформатор тока с первичной обмоткой, включённой последовательно с нагрузкой генератора. Со вторичной обмотки снимается переменное напряжение, которое после выпрямителя подаётся на обмотку подмагничивания ротора. (Если генератор — трёхфазный, обязательно применяется и трёхфазный трансформатор). Таким образом, достигается стабилизация выходного напряжения генератора — чем больше нагрузка, тем сильнее ток подмагничивания, и наоборот.
Согласующие трансформаторы. Из законов преобразования напряжения и тока для первичной и вторичной обмотки (I₁=I₂w₂/w₁,U₁=U₂w₁/w₂) видно, что со стороны цепи первичной обмотки всякое сопротивление во вторичной обмотке выглядит в (w₁/w₂)² раз больше. Поэтому согласующие трансформаторы применяются для подключения низкоомной нагрузки к каскадам электронных устройств, имеющим высокое входное или выходное сопротивление. Например, высоким выходным сопротивлением может обладать выходной каскад усилителя звуковой частоты, особенно, если он собран на лампах, в то время как динамики имеют очень низкое сопротивление. Согласующие трансформаторы также исключительно полезны в высокочастотных линиях, где различие сопротивления линии и нагрузки привело бы к отражению сигнала от концов линии, и, следовательно, к большим потерям.
Фазоинвертирующие трансформаторы. Трансформатор передаёт только переменную компоненту сигнала, поэтому даже если все постоянные напряжения в цепи имеют один знак относительно общего провода, сигнал на выходе вторичной обмотки трансформатора будет содержать как положительную, так и отрицательную полуволны, причём, если центр вторичной обмотки трансформатора подключить к общему проводу, то напряжение на двух крайних выводах этой обмотки будет иметь противоположную фазу. До появления широко доступных транзисторов с npn типом проводимости фазоинвертирующие трансформаторы применялись в двухтактных выходных каскадах усилителей, для подачи противоположных по полярности сигналов на базы двух транзисторов каскада. К тому же, из-за отсутствия «ламп с противоположным зарядом электрона», фазоинвертирующий трансформатор необходим в ламповых усилителях с двухтактным выходным каскадом.

Потери в трансформаторах
Степень потерь (и снижения КПД) в трансформаторе зависит, главным образом, от качества, конструкции и материала «трансформаторного железа» (электротехническая сталь). Потери в стали состоят в основном из потерь на нагрев сердечника, на гистерезис и вихревые токи. Потери в трансформаторе, где «железо» монолитное, значительно больше, чем в трансформаторе, где оно составлено из многих секций (так как в этом случае уменьшается количество вихревых токов). На практике монолитные сердечники не применяются. Для снижения потерь в магнитопроводе трансформатора магнитопровод может изготавливаться из специальных сортов трансформаторной стали с добавлением кремния, который повышает удельное сопротивление железа электрическому току, а сами пластины лакируются для изоляции друг от друга.

Режим работы трансформаторов

1. Режим холостого хода. Данный режим характеризуется разомкнутой вторичной цепью трансформатора, вследствие чего ток в ней не течёт. С помощью опыта холостого хода можно определить КПД трансформатора, коэффициент трансформации, а также потери в стали.

2. Нагрузочный режим. Этот режим характеризуется замкнутой на нагрузке вторичной цепи трансформатора. Данный режим является основным рабочим для трансформатора.

3. Режим короткого замыкания. Этот режим получается в результате замыкания вторичной цепи накоротко. С его помощью можно определить потери полезной мощности на нагрев проводов в цепи трансформатора. Это учитывается в схеме замещения реального трансформатора при помощи активного сопротивления.

Габаритная мощность

Габаритная мощность трансформатора описывается следующей формулой:

P_габ=(P₁ + P₂)/2=(U₁I₁ + U₂I₂)/2

₁ — первичной обмотки
₂ — вторичной обмотки

Однако, это конечный результат. Или академическое определение. Изначально габаритная мощность, как следует из названия, определяется габаритами сердечника и материалом, его магнитными и частотными свойствами.

КПД трансформатора
КПД трансформатора находится по следующей формуле:

где

P₀ — потери холостого хода (кВт) при номинальном напряжении

P_L — нагрузочные потери (кВт) при номинальном токе

P₂ — активная мощность (кВт), подаваемая на нагрузку

n — относительная степень нагружения (при номинальном токе n=1).

кпд, холостой ход, трансформатор, обмотки
Всего комментариев: 0
виды, принцип работы и где применяется
Пик-трансформатор — устройство, которое, как и другие трансформаторы, предназначено для преобразования электрической энергии в требуемый формат, получая стандартный синусоидальный сигнал на первичную обмотку, на вторичной выдаёт пикообразные импульсы с необходимой амплитудой. Но при этом изменение полярности происходит скачком, а не плавно, как в случае с синусоидой.
Конструкция
Пик-трансформатор с ограничивающим сопротивлением имеет следующую конструкцию:
Первичная обмотка выполнена на сердечнике, имеющим большее сечение, а магнитопровод вторичной обмотки имеет меньшие размеры.
Сопротивление включают последовательно в первичную цепь.
Амплитуду и продолжительность импульсов регулируют за счёт изменения количества витков вторичной обмотки, а также подбором материала сердечника. Если требуется сократить длительность пика, применяют сердечник из материалов, отличающихся высокой магнитной проницаемостью. Их называют магнитомягкими, в качестве примера можно привести пермаллой.
По сути, это стандартный трансформатор с правильно подобранным сердечником и дополнительным резистором в цепи.
Конструкция устройства с магнитным шунтом отличается:
Обе обмотки расположены на одинаковых по сечению стержнях.
В зазор между ними встроен магнитный шунт из материалов с высокой проницаемостью.
В зависимости от конструкции шунтирующее устройство может быть подвижным и неподвижным. Первый вариант предпочтителен, так как обеспечивает регулирование параметров пиков выходного напряжения, не меняя число витков в обмотке.
Для предотвращения непосредственного контакта между обмотками такого трансформатора и магнитного шунта, между этими частями устройства предусмотрен воздушный зазор.
Принцип работы
В основу функционирования пик-трансформаторов положен эффект насыщения сердечника, сделанного из ферромагнитного материала. Индукционные параметры, определяющие величину ЭДС на вторичной обмотке, напрямую зависят от магнитного потока. Причём эта зависимость нелинейная. Быстрое нарастание индукции происходит в тот момент, когда синусоида, характеризующая намагничивающее поле, проходит через нулевое значение. А при пике этого показателя величина индукции остаётся практически неизменной.
Принцип работы трансформатора
В результате получают следующую картину. При минимальном показателе магнитного поля, в момент, когда оно меняет свою полярность, происходит практически моментально увеличение ЭДС, благодаря чему и появляется пиковое напряжение на вторичной обмотке. Во все остальные моменты этот показатель близок к нулевому значению.
Виды
На практике получили применение два основных типа пиковых трансформаторов:
Устройства с добавочным сопротивлением, включённым последовательно первичной обмотке. За счёт этого обеспечивается ограничение величины тока до того момента, пока сердечник трансформатора придёт в состояние насыщения. Благодаря этому получают магнитный поток, синусоида которого имеет более плоскую форму. Основную часть цикла его значение неизменно, за счёт этого обеспечивается практически нулевое напряжение на вторичной обмотке. Смена полярности поля происходит в очень быстро, благодаря чему и получают пик выходного напряжения. Минус такого типа пик-трансформатора заключается в значительном расходе электроэнергии, которая тратится на нагрев ограничительного резистора.
Этот недостаток ликвидирован в трансформаторах с магнитным шунтом, который устанавливается между первичной и вторичной обмотками параллельно им. Магнитный поток, создаваемый за счёт прохождения электрического тока по первичной обмотке, имеет форму обычной синусоиды. При этом он замыкается непосредственно на магнитный шунт, в результате чего происходит быстрое насыщение сердечника второй катушки трансформатора. В ходе этого процесса кривая общего магнитного потока принимает более плотную форму, что и позволяет получить пиковые показатели возникающего вторичного напряжения.
Первый вид пиковых трансформаторов получил большее распространение из-за простоты конструкции. Но в случаях, когда ставятся жёсткие требования по расходу электроэнергии, используют устройства с дополнительным магнитным шунтом, как более экономичные.
Где используется трансформатор
Наибольшее применение пиковые трансформаторы получили в автоматизации технологических процессов. Незаменимы там, где для запуска исполнительного устройства требуется единичный импульс с установленной амплитудой напряжения. В качестве такого примера можно привести управляющие электронные схемы, собранные на тиристорах.
Кроме того, пик-трансформатор применяется и как рабочий узел импульсных генераторов, исследовательских электроустановок, работающих с высоким вторичным напряжением. Устройства этого класса нашли применение и в промышленном оборудовании. В металлообработке широко используются электроимпульсные станки, обеспечивающие высокое качество обработки поверхностей. Такое оборудование незаменимо при изготовлении деталей сложной формы, например, лопаток турбин, которые сделаны из жаропрочных сортов стали.
Как сделать своими руками
Технология самостоятельного изготовления пик-трансформаторов не отличается от схемы сборки обычных преобразующих напряжение устройств трансформаторного типа. Можно чётко выделить следующие этапы процесса:
В первую очередь проводят расчёты, при помощи которых определяют необходимое сечение сердечника, магнитного шунта из условий получения требуемых показателей магнитного потока.
Величина амплитуды пика напряжения на вторичной обмотке зависит от коэффициента трансформации устройства. А этот показатель определяется отношеним количества витков на первичной и вторичной обмотках.
По полученным данным подбирают сердечник с соответствующим сечением. Он может иметь броневую цельную конструкцию или наборную из отдельных пластин.
Обмотки укладывают на основание катушки. Требуемое количество витков наматывают вплотную, при необходимости выполняя несколько 2-3 и более рядов.
Для предотвращения межвиткового короткого замыкания каждый ряд отделяют изолирующей бумагой или лакируют.
Сопротивление, включаемое в первичную цепь, подбирают по мощности в зависимости от параметров тока, который должен проходить по обмотке для достижения насыщения сердечника.
Обращаем внимание — правильное самостоятельное изготовление пик-трансформаторов требует точных расчётов и соблюдения технологии сборки. Если опыта в выполнении подобных работ нет, то стоит отдавать предпочтение фабричным устройствам. Тем более что сейчас можно приобрести трансформаторы с необходимыми характеристиками.
Трансформаторы: виды и назначение
Трансформаторами называются такие устройства, благодаря которым можно преобразовать напряжение. Они могут его повысить или понизить. В обычном трансформаторе обязательно есть две или больше обмотки, расположенные на железном сердечнике. Существуют трансформаторы, которые состоят исключительно из единственной обмотки. Устройства такого типа называются автотрансформаторами.
Сейчас для токовых трансформаторов существует классификация. Они бывают:
• Стержневые
• Броневые
• Тороидальные

Трансформатор в гофробаке
Все три вида устройств почти неотличимы своими характеристиками или надежностью. Однако их изготавливают совершенно по-разному. Стержневые трансформаторы имеют обмотку, включенную в стальной сердечник. Ее верх и низ часть можно отлично увидеть. В сердечнике броневых трансформаторов обмотка спрятана почти целиком. В стержневом трансформаторе обмотка располагается горизонтально.
В броневом трансформаторе обмотка может быть расположена еще и вертикально. Состоит любой трансформатор из трех частей: магнитной трансформаторной системы, или магнитопровода, обмоток, и охлаждающей системы.
Классификация
Тип трансформатора зависит от того, где он применяется и его прочих характеристик. Например, электрические сети городов, или предприятий требуют наличие силового трансформатора. Он может понизить вырабатываемое напряжение до стандартного.
Трансформатор, регулирующий ток, называют токовым трансформатором. Существует также трансформатор, регулирующий напряжение. Аналогично его называют трансформатором напряжения. Для обыкновенных сетей подходит устройство с единственной фазой. Однако, если в сети имеются провода фазы, ноля и заземления, то для такой сети будет необходим трехфазный трансформатор.
Бытовые трансформаторы, рассчитанные на 220В, необходимы для того, чтобы защищать домашнюю технику от резких скачков напряжения.
Чтобы разделить сварочные и силовые сети, необходимы специальные трансформаторы. Они помогают поддерживать напряжение в том состоянии, которое необходимо для проведения сварочных работ.
Если сеть пропускает через себя напряжение, превышающее шесть тысяч вольт, то в таком случае стоит использовать масляные трансформаторы.
Более подробная информация по ссылке: http://transformator.ru/production/transformatory-tm/
В конструкцию масляных трансформаторов входят:
магнитопроводы,
обмотки,
баки, и несколько крышек, имеющих вводы.
Для того, чтобы сделать один магнитопровод необходимо два стальных листа, которые надо обязательно изолировать друг от друга. Также необходимы алюминиевые либо медные обмотки. Напряжение можно регулировать с помощью специальных переключателей, расположенных на ответвлении.
Переключать ответвления можно двумя способами. Можно переключать, не отсоединяя трансформаторы от внешних сетей, но тогда это переключение будет осуществляться с нагрузками. Также можно не нагружать сеть, предварительно отключив трансформатор от нее. Часто трансформаторы регулируются именно таким способом.
Упоминая виды трансформаторов, нельзя забывать о том, что существуют и электронные трансформаторы. Они являются специальными питающими источниками, служащими для того, чтобы уменьшать стандартное напряжение еще сильнее.
Таким образом, из напряжения 220 В получится напряжение около 12 В. Размеры электрических трансформаторов не слишком велики, они заметно меньше, чем обычные трансформаторы.
Принцип работы
Где применяются
Физические законы устроены так, что проводимая мощность теряется прямо пропорционально силе тока в квадрате. Из-за этого, чтобы передать напряжение на большое расстояние, его необходимо сначала увеличить. Как только напряжение доходит до потребителя, его необходимо уменьшить. Поэтому так нужны повышающие и понижающие трансформаторы. Обычно их применяют именно для этого.
Трансформатор также может быть встроен в бытовой прибор. К примеру, для телевизора нужен трансформатор с несколькими обмотками, чтобы обеспечивать питание всем схемам, кинескопу и транзистору.
применение, принцип действия, каких типов бывает
Одним из ключевых моментов в развитии электроники стало изобретение трансформатора. Трудно назвать какое-либо электротехническое устройство, в работе которого он бы не использовался. Благодаря этому простому изобретению человечество научилось управлять электроэнергией путём преобразования её параметров. Поэтому одной из главных задач в области электроники является усовершенствование радиоприбора для повышения надёжности схем электропитания.
История изобретения
Появившийся в XIX веке прибор, названный впоследствии трансформатором, является радиоэлектронным устройством, предназначенным для преобразования одних значений напряжения в другие.
В 1831 году английский физик Майкл Фарадей, проводя ряд экспериментов, открыл явление электромагнитной индукции, которое послужило основой для создания трансформатора. Принцип явления основан на возникновении тока при изменении магнитного поля. Изучая электромагнетизм, учёный выявил, что электродвижущая сила (ЭДС) зависит от скорости изменения магнитного поля, ограниченного проводящим контуром. Таким образом, была открыта возможность превращать магнетизм в электричество.
Первый прототип трансформатора был создан в 1848 году немецким инженером Генрихом Румкорфом. Это устройство было названо катушкой индуктивности и позволяло преобразовывать низкое напряжение постоянной величины в высокое. Конструктивно оно состояло из железного сердечника, вокруг которого были намотаны две обмотки.
Датой же рождения преобразовательного прибора считается 30 ноября 1876 года. Именно тогда русским инженером Яблочковым был получен патент на изобретение устройства. Сконструированный им трансформатор представлял собой сердечник с намотанной на него катушкой. Первый же в классическом понимании радиоприбор был создан в Англии братьями Гопкинсонами, а через год в Венгрии учёные Отто Блати, Карой Циперновский и Микша Дери усовершенствовали его путём использования замкнутого магнитопровода.
Существенную роль в развитии устройства сыграло применение Свинберном масленого охлаждения, повысившего надёжность и стабильность электротрансформатора. Развитие изобретения позволило изучать переменный ток, в результате чего была создана трёхфазная система, запатентованная Теслой в 1889 году.
Первоначально сердечник изготавливался в виде формы Н, пока англичанин Стэнли не предложил использовать форму Ш. Благодаря этому появилась возможность отдельно наматывать катушки, а после надевать их на сердечник. Первые образцы трансформаторов характеризовались значительными потерями мощности. Введение примесей кремния в сердечник позволило улучшить характеристики. Дальнейшее развитие технологии изготовления электрических трансформаторов сводилось к усовершенствованию материала сердечника.
Устройство и его суть
В узлах электропитания радиоэлектронных устройств для преобразования тока используются различные виды трансформаторов. В принципе их действия лежит явление электромагнитной индукции, характеризующееся преобразованием переменного тока одной разности потенциалов в другую. При этом скважность и период сигнала остаются неизменными.
Конструктивно классический трансформатор состоит из трёх частей:
первичной обмотки;
вторичной катушки;
сердечника.
Обмотка, к которой подводится электрический сигнал, называется первичной, а с которой снимается — вторичной. Изготавливаются они из алюминиевой или медной проволоки. Сердечник же делается из электротехнической стали или феррита.
При работе устройства возникают вихревые токи, приводящие к нагреву магнитопровода. Это, в свою очередь, влияет на передачу энергии, приводя к её потерям. Чтобы при нагревании не происходило расплавление изоляционного слоя катушек и сплавление с пластинами, используется дополнительная изоляция как сердечника, так и обмоток.
Отдельно выделяют автотрансформаторы. Это преобразователи, состоящие из одной или нескольких катушек, соединённых электрически между собой, в результате чего действующее магнитное поле на них является общим. Сердечник для них выполняется из мягкого ферромагнетика.
Слово «трансформатор» произошло от латинского transformate, что в дословном переводе на русский язык обозначает «превращение», «преобразование». Принцип действия трансформатора основан на двух базовых положениях:
Переменный электрический ток образует изменяющийся магнитный поток во времени.
Проходя через катушку магнитное поле, наводит в ней ЭДС.
То есть используется явление электромагнетизма и электромагнитной индукции.
Суть работы электромагнитного аппарата сводится к следующему: электрический ток, изменяемый во времени по величине и направлению, поступает на первичную катушку. Проходя по ней, он создаёт переменное магнитное поле. Потоки, образующиеся от этого поля, воздействуют на вторичную обмотку, наводя в ней напряжение переменной величины. Значение этой разности потенциалов зависит от числа витков в первичной и вторичной катушках, а также скорости изменения магнитного поля.
Виды трансформаторов
Согласно определению, трансформатор (transformator) — это статический электромагнитный прибор, состоящий из нескольких катушек, располагающихся на общем магнитопроводе. Используется такое устройство как для преобразования переменного сигнала, так и для создания гальванической связи. Работает при переменном токе.
Все преобразователи классифицируются по следующим признакам:
количеству фаз — промышленность выпускает одно- и трёхфазные конструкции;
числу обмоток — существуют двух- или трёхобмоточные конструкции;
виду изоляции — разделяются на сухой тип, масляный или использующий негорючее заполнение;
по охлаждению — могут быть с естественным или искусственным его видом.
Кроме этого, бывают трансформаторы, использующие не только проволочные обмотки, но и ленточные, а также без сердечника. Последние применяются для работы на высоких частотах. Изделия характеризуются различными параметрами. Основными из них являются: мощность, коэффициенты затухания и трансформации, рабочая частота.
Мощность обозначает количество энергии, которую может пропустить через себя устройство без ухудшения характеристик. Измеряется она в ваттах и находится как сумма мощностей всех вторичных выводов. Коэффициент трансформации определяется отношением числа витков вторичной обмотки к их числу в первичной катушке. Затухание же обозначает величину ослабления сигнала за счёт паразитных связей. Для неё будет верной следующая формула: η=P2/P1, где P — мощность, подводимая к устройству (P1) и снимаемая с нагрузки, подключённой к его выходу (P2).
Силовой прибор
Является одним из самых распространённых типов, выпускаемых промышленностью трансформаторов. Относится к низкочастотному виду. Используется для повышения или понижения разности потенциалов. Основное применение — аналоговые источники питания и линии электропередач. Необходимость в применении таких преобразователей заключается в использовании различных величин рабочих напряжений.
Например, ЛЭП — 35−750 кВ, городские подстанции — 6−10 кВ, электроприборы — от единиц вольт до киловольт. По своей сути является классическим трансформатором переменного тока. Изменяемый по величине сигнал, проходя через устройство, создаёт магнитное поле в каждом витке вторичной катушки, сумма напряжений которых и формирует выходное напряжение.
Форма сердечника чаще всего используется Ш-образного вида, но также может быть и тороидальной. Коэффициент полезного действия (КПД) силовых устройств составляет порядка 0,9 -0,98. Мощность, которую может преобразовать электронное устройство, определяется поперечным сечением магнитопровода, обозначаемым символом S. Количество витков соответственно находится по формуле: w = 50/S.
При нахождении мощности используется правило: токи, протекающие по обмоткам трансформатора обратно пропорциональны числу их витков. То есть коэффициент трансформации будет равен отношению Iн/Iвх или Uвх/Uн. Поэтому, изменяя число витков в катушках, легко получить как повышенное, так и пониженное напряжение на выходе трансформатора.
Автотрансформаторная конструкция
Отличием от других типов устройств является присутствие электрического контакта между первичной и вторичной обмоткой. В результате этого катушки связаны не только магнитным потоком, но и гальванически. Выходная обмотка имеет не меньше трёх выводов. Автотрансформаторы относятся к приборам специального назначения. В их конструкции также используется магнитопровод, на котором размещаются две обмотки. Выводы отводятся от общего контакта обмоток и их концов.
Использование нескольких выводов позволяет регулировать напряжение путём перемещения скользящего контакта, подключённого к нагрузке. Так как значения входного и выходного тока примерно совпадают друг с другом, а витки направлены встречно, то короткого замыкания не происходит.
Автотрансформаторы, или ещё их называют ЛАТРы, используются как лабораторные блоки питания. Это связано с тем, что их коэффициент трансформации делается не более двух, так как при большем значении КПД устройства значительно снижается. Высокое же его значение при коэффициенте до единицы обусловлено тем, что часть энергии не преобразовывается, а напрямую подпитывает вторичную катушку.
Кроме этого их применяют в узлах питания выпрямительных блоков, согласования телефонных линий, железнодорожных локомотивах. При изготовлении автотрансформаторов используется провод небольшого сечения и малогабаритные сердечники, что в итоге уменьшает их стоимость.
Импульсный преобразователь
Такой трансформатор предназначен для преобразования импульсного сигнала с минимальными искажениями. Используется он в автоматических и измерительных приборах, а также электронно-вычислительной технике. Работа его выглядит следующим образом.
При подаче на вход серии импульсов, характеризующихся продолжительностью L и периодом T, в первичной катушке устройства начнёт увеличиваться ток. Соответственно, его изменение будет создавать магнитное поле, меняющееся по такому же закону. В результате во вторичной обмотке возникнет ток, проявляемый также в виде импульсов.
Из-за специфики использования такие приборы обладают рядом преимуществ:
малым весом;
высоким КПД;
широким диапазоном рабочих напряжений;
высоким коэффициентом трансформации.
Существует четыре вида импульсных трансформаторов, разделяемых по виду сердечников. Они могут быть: тороидальными (круглые), броневыми (Ш-образные), стержневыми (П-образные), и бронестержневыми. По виду намотки катушки они выполняются спиральной, цилиндрической или конической формы.
Разделительный и согласующий
Разделительный тип применяется в тех случаях, в которых требуется гальванически развязать одну часть электрической сети от другой. Например, в помещениях с повышенной электробезопасностью. Их использование помогает существенно снизить вероятность поражения электрическим током при возникновении пробоя. Кроме того, разделительные конструкции устанавливаются в качестве защитных устройств в интерфейсных цепях, например, сетевые карты. Предотвращая резкие перепады входного сигнала, они предохраняют нагрузочные цепи от повреждений, а человеческий организм от удара током.
Трансформатор называется разделительным, если его вторичная катушка не заземлена, а он сам имеет коэффициент передачи равный единице. Разделение катушек в приборе происходит путём применения усиленной электроизоляции.
Согласующий же трансформатор используется при необходимости выровнять сопротивление различных частей электрической схемы. Их применяют в приборах усиления, например, микрофоны, телевизоры, приёмники. Из конструктивных особенностей выделяют, что согласующие устройства не нуждаются в толстой изоляции, а корпус чаще всего выполняется цилиндрического вида. Устройство собирается на диэлектрической подложке, на которой размещается пластина из феррита с намотанной первичной обмоткой. А затем через слой изоляции накручивается вторичная обмотка.
Измеритель тока
Им называется прибор, первичная катушка которого коммутируется напрямую к источнику тока, а вторичная — к защитным или измерительным приборам, обладающим небольшим внутренним сопротивлением. Основное назначение этого типа — измерение тока и защита. Его применение безопасно, так как первичная и вторичная цепь гальванически изолированы друг от друга.
Первичная катушка (чаще всего один виток), подключается последовательно к схеме, в которой требуется определить значение переменного тока. В итоге получается, что ток вторичной обмотки зависит от тока первичной, но при этом вторичная катушка должна быть обязательно подключена к нагрузке. Если этого не сделать, значение разности потенциалов на выходе может достичь таких значений, что пробьёт изоляцию. Кроме того, если вторичную катушку преобразователя разомкнуть, то через магнитопровод начнёт течь большой ток.
В состав трансформатора входит сердечник из шихтованной кремнистой холоднокатаной электротехнической стали. На него наматываются изолированные обмотки. Чаще всего первичную катушку делают шиной либо пропускают через сердечник проводник, на котором измеряется ток.
Сварочный аппарат
Назначение сварочных аппаратов — понижать однофазное или трёхфазное напряжение, а ток увеличивать в несколько раз. Достигается это путём секционирования отношения обмоток во входной и выходной части устройств.
Так как сварочный трансформатор относится к понижающему типу, то количество витков во вторичной обмотке у него меньше. Сила же тока регулируется путём изменения зазора между катушками. Сведение их увеличивает ток, а разведение уменьшает. Существует два режима работы устройства:
короткое замыкание;
холостой ход.
В первом случае выходная обмотка замыкается с источником питания (первичной катушкой). В результате возникает ток короткого замыкания, сопровождающийся значительным выделением энергии. При холостом ходе в трансформаторе создаются две силы — магнитное поле и поток рассеивания. Ответвляясь от потока магнитопровода, они образуют замкнутые линии через воздух. Результатом этих взаимодействий будет возникновение напряжения, порядка 48 вольт.
Другие типы
Кроме основных типов, существуют ещё и другие разновидности трансформаторных устройств. Они не получили широкого применения, так как разрабатывались для использования в специфических задачах. Им на смену были изобретены устройства с лучшими параметрами и характеристиками, например, трансфлюксор и используемые вместо него доменные ячейки памяти.
Можно выделить следующие дополнительные виды трансформаторов:
Пик-трансформатор — способен преобразовывать переменный сигнал в импульсный. Достигается это использованием сердечника переменного сечения. Первичная катушка размещается в области большого сечения, а вторичная — малого. При возникновении тока насыщение суженого участка магнитопровода возникает раньше. В итоге на выходе образуются пиковые броски напряжения — импульсы. Используются такие приборы в исследовательской технике как генераторы.
Сдвоенный дроссель — другое его название компенсационный фильтр. В конструкции используется две одинаковые обмотки. Принцип работы основан на возникновении взаимоиндукции. Применяются в качестве фильтров блоков питания.
Трансфлюксор — разрабатывался как прибор, предназначенный для хранения информации. Вызывал довольно большой интерес разработчиков ЭВМ и даже планировался использоваться на космических ракетах. Но испытания, проводимые в военно-инженерном институте радиоэлектроники Казахстана, оказались удручающими. Трансформаторлар (казахское — трансформатор) при считывании разрушал хранимые информационные блоки. Отличие же его от других видов заключалось в увеличенной намагниченности из-за использования сердечника с двумя отверстиями.
Вращающийся трансформатор — представляет собой прибор, сердечник которого разделён на две части. На каждой половине намотана своя обмотка. Одна из них вращается по отношению к другой, что позволяет передавать сигналы на подвижные части различных радиоустройств, например, головку видеомагнитофона.
Обозначение на схеме
Условное обозначение трансформаторов на схеме и в специализированной литературе зависит от конструктивных особенностей изображаемой модели устройства. Но в общем случае на его рисунке указывается сердечник — толстая вертикальная линия, первичная обмотка (слева) и вторичная (справа). Сами катушки изображаются параллельно сердечнику в виде полуокружностей. Их количество нигде не регламентируется. Жирная точка, стоящая у полуокружностей, обозначает начало обмотки.
При указании особенности конструкции изображение сердечника может изменяться. Так, магнитопровод с магнитным зазором выполняется линией с разрывом посредине, если сердечник изготовлен из магнитодиэлектрика, используется тонкая пунктирная линия. Если есть необходимость указать материал, из которого сделан сердечник, то сверху линии ставится символ, соответствующий таблице Менделеева, например, Cu.
Таким образом, под словом трансформатор понимается электронный аппарат, предназначенный для повышения или понижения напряжения электрического тока. Эти его свойства нашли широкое применение как в аналоговой, так и цифровой технике. При этом ключевым элементом, обеспечивающим передачу энергии от электростанций к потребителям, также является трансформатор.