Повышающий и понижающий трансформатор

Содержание:

1. Функции и работа трансформаторов
2. Трансформатор понижающего типа
3. Особенности повышающего трансформатора
4. Видео

В быту и на производстве используется огромное количество различных электронных устройств, приборов и оборудования. Довольно часто для их нормальной эксплуатации требуется повышающий и понижающий трансформатор. Каждый из них работает на основе самоиндукции, позволяющей изменять ток в ту или иную сторону.

Само название трансформатора означает изменение или преобразование. Они применяются в основном совместно с электроникой зарубежного производства, рассчитанной на токи, отличающиеся от отечественных стандартов. Кроме того, трансформаторы обеспечивают защиту электрооборудования и оптимизируют его питание, делая работу максимально эффективной.

Функции и работа трансформаторов

В электронике трансформаторы являются незаменимыми устройствами. Однако, для их наиболее эффективной работы, необходимо хорошо представлять себе, что понижает или повышает трансформатор. В зависимости от потребностей, они повышают или, наоборот, понижают величину потенциала в цепочках с переменным током.

С появлением отличающихся трансформаторных устройств стала возможной доставка электричества на значительные дистанции. Заметно снижаются потери на проводах ЛЭП, когда переменное напряжение повышается, а ток – понижается. Это происходит на всей протяженности проводников, соединяющих электростанцию с подключенными потребителями. На каждом конце таких линий напряжения снижаются до безопасного уровня, облегчая работу используемого оборудования.

Какой трансформатор называют повышающим, а какой понижающим, и какая между ними разница

Если отвечать коротко, то прибор выдающий более высокий потенциал, в сравнении со входом, считается повышающим. Если же происходит обратный процесс, и потенциал на выходе меньше, чем на входе, такое устройство будет понижающим. В первом случае вторичная обмотка обладает большим количеством витков, чем на первичная, а во втором, наоборот, в работе применяется вторичная обмотка с меньшим количеством витков. Этим они кардинально отличаются друг от друга.

Можно ли понижающий трансформатор использовать как повышающий

Да, можно. Поскольку для перемены функций достаточно изменить схему соединения обмоток с источником потенциала и нагрузкой. Соответственно, изменится и функциональность понижающего трансформатора.

На практике, с целью повышения эффективности устройства, индуктивность всех обмоток рассчитывается для точных рабочих значений тока и напряжения. Эти показатели должны обязательно сохраняться в исходном состоянии, когда повышающий и понижающий трансформатор изменяют свои функции на противоположные.

Как определить принадлежность той или иной обмотки

Конструктивно, трансформаторы выполнены по такому принципу, что невозможно сразу определить их различия, то есть, какие провода называется и фактически являются первичной, а которые из них – вторичной обмоткой. Поэтому, чтобы не запутаться, применяется маркировка. Для высоковольтной обмотки предусмотрен символ «Н», в понижающих устройствах она служит первичной, а в повышающих – вторичной обмоткой. Обмотка с низким вольтажом маркируется символом «Х».

Для того чтобы понять особенности, отличие и принцип действия каждого из этих устройств, их следует рассмотреть более подробно.

Общее устройство и функционирование трансформаторов понижающего типа

Трансформаторы выполняют преобразование более высокого входящего напряжения в низкую характеристику напряжения на выходе, то есть позволяют понизить большие токи до требуемых значений. При необходимости такой прибор может использоваться как повышающий.

Принцип действия этих приборов определяется законом электромагнитной индукции. Стандартная конструкция состоит из двух обмоток и сердечника. Первичная обмотка соединяется с источником питания, после чего вокруг сердечника происходит генерация магнитного поля. Под его воздействием во вторичной обмотке возникает электрический ток с определенными заданными параметрами напряжения.

Выходная мощность определяется по количественному соотношению витков в каждой катушке. Изменяя этот показатель можно управлять характеристиками выходного напряжения и получать требуемый ток для бытового и промышленного оборудования.

С помощью лишь одних трансформаторов невозможно изменить частоту электрического тока. Для этого конструкция понижающего аппарата дополняется выпрямителем, изменяющим частоту тока в диапазоне требуемых значений. Современные приборы дополняются полупроводниками и интегральными схемами с конденсаторами, резисторами, микросхемами и другими компонентами. В результате, получается устройство с незначительными размерами и массой, но достаточно высоким уровнем КПД, работающее на понижение напряжения.

Такие трансформаторы функционируют очень тихо и не подвержены сильному нагреву. Мощность выходного тока может выставляться путем регулировок и отличаться в каждом случае. Все устройства нового типа оборудованы защитой от коротких замыканий.

Понижающий трансформатор отличается простой и надежной схемой, широко применяются на подстанциях между отрезками линий электропередачи. Они выполняют понижение сетевого тока с 380 до 220 вольт. Подобные устройства относятся к промышленным. Используемые в быту, отличаются более низкими мощностями. Принимая на первичную обмотку входа 220 В, они затем выдают пониженное напряжение от 12 до 42 вольт в соответствии с подключенными потребителями. Коэффициент трансформации понижающих устройств всегда ниже единицы. Для того чтобы его определить, нужно знать соотношение между количеством витков в первичной и вторичной обмотке.

Особенности повышающего трансформатора

Повышающие трансформаторные устройства, как их называют специалисты, также используются в быту и на производстве. В основном их назначение – работа по своему профилю на проходных электростанциях. Они должны повысить ток в соответствии с нормативными показателями, поскольку в процессе транспортировки происходит постепенное снижение высокого напряжения в ЛЭП. В конце пути следования электростанция с помощью повышающего трансформатора напряжение поднимается до нормативных 220 В и поставляется в бытовые сети, а 380 В – в промышленные.

Работа трансформатора повышающего типа осуществляется по следующей схеме, включающей в себя несколько этапов:

• Вначале на электростанции производится электрический ток напряжением 12 киловольт (кВ).
• Далее по ЛЭП оно поступает на повышающую подстанцию и попадает в повышающий трансформатор, преобразующий это напряжение до 400 кВ. Отсюда ток поступает в высоковольтную ЛЭП и уже по ней приходит на понижающую подстанцию, где его напряжение вновь становится 12 кВ.
• На последнем этапе ток оказывается в низковольтной линии, в конце которой установлен еще один трансформатор понижающего действия. Здесь напряжение окончательно принимает рабочее значение 220 или 380 В и в таком виде поступает в бытовую или промышленную сеть.

Принцип работы повышающего трансформатора также основан на электромагнитной индукции. Основная конструкция состоит их двух катушек с разным количеством витков и изолированного сердечника.

Низкое переменное напряжение поступает в первичную обмотку и вызывает появление магнитного поля, возрастающего при оптимально подобранном соотношении обмоток. Под его влиянием во вторичной обмотке образуется электрический ток с повышенными показателями – 220 В и более. В случае необходимости изменения частоты, в цепочку дополнительно устанавливается преобразователь, способный выдавать постоянный ток для определенных видов оборудования.

В процессе работы трансформаторы нагреваются, поэтому им требуется использовать охлаждение, которое может быть масляным или сухим. Трансформаторные масла относятся к пожароопасным веществам, поэтому такие системы оборудуются дополнительной защитой. Сухие трансформаторы заполняются специальными негорючими веществами. Они безопасны в эксплуатации, но стоят значительно дороже.

Повышающий трансформатор как работает, схема, применение

Повышающий трансформатор это обычный трансформатор (см. назначение и принцип действия трансформатора) который повышает значение напряжения электрического тока. На первичной обмотке оно ниже, а на вторичной выше. Тем самым на выходе прибора напряжение выше и за счет определенного числа витков обмотки и сечения имеет нужное значение.

Принцип работы повышающего трансформатора заключается в величине К (коэффициент трансформации).

При К>1 трансформатор является понижающим, а при К<1 — повышающим трансформатором.

U1/U2 ≈ E1/E2 = N1/N2 = К

где: U1, U2 — напряжение на первичной и вторичной обмотке; E1, E2-мгновенные значения ЭДС;  N1, N2 — количество витков первичной и вторичной обмотки

повышающий трансформатор схема

Применение повышающих трансформаторов

Приборы устанавливаются в электрических линиях и источниках питания потребительских точек. В соответствии с законом Джоуля — Ленца при увеличении силы тока выделяется тепло, которое нагревает провод. Для транслирования энергии на большие линейные расстояния увеличивают напряжение, а токи уменьшают. При поступлении к потребителю мощность снижают, поскольку в целях безопасности пришлось бы использовать массивную изоляцию.

В начале цепочки устанавливают повышающий трансформатор, а в точке приема понижают показатели. Такие комбинации на протяжении ЛЭП используют многократно, добиваясь выгодных условий транспортировки электричества и создавая приемлемые значения для потребителя.

Из-за присутствия в сети трех фаз для трансформации энергии используют трехфазные агрегаты. Иногда применяют группу, в которой устройства объединены в модель звезды, при этому них общий проводящий стержень.

Хоть коэффициент полезного действия у агрегатов большой мощности достигает почти стопроцентного значения, всё равно выделяется много тепла. Типичный трансформатор электрической станции 1 гВт выдает несколько мегаватт. Чтобы снизить это явление, разработана охладительная система в виде бака с негорючей жидкостью или трансформаторным маслом и сильным устройством для воздушной раздачи тепла. Охлаждение чаще водяное, сухой принцип используют при небольшой мощности.

Повышающий тороидальный трансформатор

Как вы понимаете, говоря «тороидальный трансформатор», подразумевают обычно сетевой однофазный трансформатор, силовой или измерительный, повышающий или понижающий, у которого тороидальный сердечник оснащен двумя или несколькими обмотками.

Работает тороидальный трансформатор принципиально так же как и трансформаторы с другими формами сердечников: он понижает или повышает напряжение, повышает или понижает ток — преобразует электроэнергию. Но тороидальный трансформатор отличается при той же передаваемой мощности меньшими размерами и меньшим весом, то есть лучшими экономическими показателями.

Главная особенность тороидального трансформатора — небольшой общий объем устройства, доходящий до половины в сравнении с другими типами магнитопроводов.

Шихтованный сердечник вдвое больше по объему чем тороидальный ленточный сердечник при той же габаритной мощности.

Поэтому тороидальные трансформаторы удобнее устанавливать и подключать, и уже не так важно, идет ли речь о внутреннем или о наружном монтаже.

Любой специалист скажет, что тороидальная форма сердечника является идеальной для трансформатора по нескольким причинам:

• во-первых, экономия материалов на производстве,
• во-вторых, обмотки равномерно заполняют весь сердечник, распределяясь по всей его поверхности, не оставляя неиспользованных мест,
• в-третьих, поскольку обмотки имеют меньшую длину, КПД тороидальных трансформаторов получается выше в силу меньшего сопротивления провода обмоток.

Охлаждение обмоток — еще один важный фактор.

Обмотки эффективно охлаждаются будучи расположены в форме тороида, следовательно плотность тока может быть более высокой.

Потери в железе при этом минимальны и ток намагничивания сильно меньше. В итоге тепловая нагрузочная способность тороидального трансформатора оказывается очень высокой.

Экономия электроэнергии — еще один плюс в пользу тороидального трансформатора.

Примерно на 30% больше энергии сохраняется при полной нагрузке, и примерно 80% на холостом ходу, в сравнении с шихтованными магнитопроводами иных форм. Показатель рассеяния у тороидальных трансформаторов в 5 раз меньше чем у броневых и стержневых трансформаторов, поэтому их можно безопасно использовать с чувствительным электронным оборудованием.

При мощности тороидального трансформатора до киловатта, он настолько легок и компактен, что для монтажа достаточно применить прижимную металлическую шайбу и болт. Потребителю всего то и нужно выбрать подходящий трансформатор по току нагрузки и по первичному и вторичному напряжениям. При изготовлении трансформатора на заводе рассчитывают площадь сечения сердечника, площадь окна, диаметры проводов обмоток, — и выбирают оптимальные габариты магнитопровода с учетом допустимой индукции в нем.

Для чего около электростанций устанавливают повышающий напряжение трансформатор?

Любой проводник имеет свое сопротивление и поэтому в ЛЭП неизбежно возникают тепловые потери на нагрев проводника. Величина нагрева пропорциональна квадрату тока в цепи, по этому повышая напряжение до сотен киловольт, мы, согласно закону Ома понижаем ток, а значит и снижает тепловые потери и размер проводников ЛЭП, экономия материалов и стоимости.

Видео: Повышающий трансформатор

Принцип действия трансформатора для повышения напряжения

Открытие в далёком 1831 году великим учёным Фарадеем принципа электромагнитной индукции позволило по-новому взглянуть на многие законы электротехники. Именно основываясь на взаимодействие электромагнитных полей, через 45 лет после этого великий русский учёный П. Н. Яблочков получил патент на изобретение трансформатора. Классическое определение звучит так: трансформатор — это электрическое устройство, преобразующее ток первичной обмотки одного напряжения, в ток вторичной обмотки с другим напряжением.

Индукционный эффект образуется при изменении электромагнитного поля, поэтому для работы трансформатора необходимо наличие напряжения с переменным током. Трансформация (передача) осуществляется преобразованием электрической энергии первичной обмотки в магнитное поле, а затем, во вторичной обмотке происходит обратное преобразование магнитного поля в электрическую энергию. В случае если количество витков вторичной обмотки будет превышать число витков первичной обмотки, то устройство будет называться повышающим трансформатором. При подключении обмоток в обратном порядке, получается понижающее устройство.

Устройство и принцип работы

Конструктивно повышающее устройство трансформации напряжения состоит из сердечника и двух обмоток. Сердечник собран из пластин электротехнической листовой стали. На него намотаны первичная и вторичная обмотки, из медного провода, различного диаметра. Толщина провода намотки трансформатора напрямую зависит от его выходной мощности.

Сердечник устройства может быть стержневым или броневым. При использовании изделия в сетях низкочастотного напряжения чаще всего применяются стержневые магнит проводы, которые по форме могут быть:

• П-образные.
• Ш-образные.
• Тороидальные.

Изготавливаются сердечники из трансформаторного специального железа, от качественных характеристик которого и зависят многие общие параметры устройства. Набирается сердечник из тонких железных пластин, которые изолированы друг от друга лаком или слоем окиси, для уменьшения потерь за счёт вихревых токов. Могут применяться и готовые половинки, которые сделаны из сплошных железных лент.

Достоинства и недостатки сердечников

• Наборные чаще применяются для устройства магнитопроводов с произвольным сечением, ограничивающимся только шириной пластин. Лучшие параметры имеют устройства трансформации напряжения с квадратным сечением. Недостатком такого типа сердечника считается необходимость плотного стягивания пластин, малый коэффициент заполнения пространства катушки, а также повышенное рассеивание магнитного поля устройства.
• Витые сердечники намного проще наборных в сборке. Весь сердечник Ш-образного типа состоит из четырёх частей, а П-образный тип имеет только две части в своей конструкции. Технические характеристики такого трансформатора гораздо лучше, нежели чем наборного. К недостаткам можно отнести необходимость минимального зазора между частями. При физическом воздействии пластины частей могут отслаиваться, и, в дальнейшем очень трудно добиться плотного их прилегания.
• Тороидальные сердечники имеют форму кольца, которое свито из трансформаторной железной ленты. Такие сердечники имеют самые лучшие технические характеристики и практически полное исключение рассеивания магнитного поля. Недостатком считается сложность намотки, особенно проводов с большим сечением.

В трансформаторах Ш-образного типа все обмотки обычно делаются на центральном стержне. В П-образном устройстве вторичная обмотка может наматываться на один стержень, а первичная — на другой. Особенно часто, встречаются конструктивные решения, когда разделённые пополам обмотки наматываются на оба стержня, а после соединяются между собой последовательно. При этом существенно сокращается расход провода для трансформатора, и улучшаются технические характеристики прибора.

Технические характеристики

Основными характеристиками при эксплуатации трансформатора считаются:

• Напряжение входное.
• Величина напряжения на выходе.
• Мощность прибора.
• Ток и напряжение холостого хода.

Величина отношения напряжений на входе и выходе устройства называется коэффициентом трансформации. Это соотношение зависит только от количества витков в обмотках и остаётся неизменным при любом режиме функционирования устройства.

От диаметра проводов и от типа сердечника напрямую зависит мощность трансформатора, которая со стороны первичной намотки равна сумме мощностей вторичных обмоток, за исключением потерь.

Напряжение, получаемое на выходной обмотке устройства, без подключения нагрузки, называется напряжением холостого хода. Разница между этим показателем и напряжением с нагрузкой указывает на величину потерь за счёт разного сопротивления проводов обмотки.

От качественных показателей сердечника трансформатора полностью зависит величина тока холостого хода. В идеальном случае, ток первичной обмотки создаёт в сердечнике устройства магнитное поле переменного значения, по величине электродвижущая сила которого равна току холостого хода и противоположна по направлению. Но вот в реальности величина электродвижущей силы всегда меньше напряжения на входе, за счёт возможных потерь в сердечнике.

Именно поэтому для уменьшения величины тока холостого хода, требуется материал высокого качества при изготовлении сердечника и минимальный зазор между его пластинами. Таким условиям в большей мере соответствуют тороидальные сердечники.

Типы устройств

В зависимости от мощности, конструкции и сферы их применения, существуют такие виды трансформаторов:

• Автотрансформатор конструктивно выполнен как одна обмотка с двумя концевыми клеммами, а также в промежуточных точках устройства имеются несколько терминалов, в которых располагаются первичные и вторичные катушки.
• Трансформатор тока включает в себя первичную и вторичную обмотку, сердечник из магнитного материала, а также оптические датчики, специальные резисторы, позволяющие ускорять способы регулировки напряжения.
• Силовой трансформатор — это устройство, передающее ток, при помощи индукции электромагнитного поля, между двумя контурами. Такие трансформаторы могут быть повышающими или понижающими, сухими или масляными.
• Антирезонансные трансформаторы могут быть как однофазными, так и трёхфазными. Принцип работы такого устройства мало чем отличается от трансформаторов силового типа. Конструктивно представляет собой устройство литого типа с хорошей теплозащитой и полузакрытой структурой. Трансформаторы антирезонансного типа применяются при передаче сигнала на большие расстояния и в условиях больших нагрузок. Идеально подходят для работы в любых климатических условиях.
• Заземляемые трансформаторы (догрузочные). Особенностью этого типа является расположение обмоток в форме звезды или зигзага. Часто заземляемые приборы применяют для подключения счётчика электрической энергии.
• Пик — трансформаторы используются в устройствах радиосвязи и технологиях компьютерного производства, по принципу отделения постоянного и переменного тока. Конструкция такого трансформатора является упрощённой: обмотка с определённым количеством витков расположена вокруг сердечника из ферромагнитного материала.
• Разделительный домашний трансформатор применяется при передаче энергии переменного тока к другому устройству или оборудованию, блокируя при этом способности источника энергии. В бытовых условиях такие приборы обеспечивают регулирование напряжения и гальваническую развязку. Чаще всего применяются для подавления электрических помех в чувствительных приборах и защиты от вредного воздействия электрического тока.

Обслуживание и ремонт

Желательно человеку, не знающему принцип действия электротехнических приборов, не заниматься ремонтными работами этого оборудования, из-за возможности поражения электрическим током. При ремонте и обслуживании трансформаторных устройств, единственное, что можно исправить, без недопустимых последствий, это перемотка трансформатора.

Перед началом любых ремонтных работ необходимо произвести проверку трансформатора:

• Первым делом необходимо оценить состояние прибора при помощи визуального осмотра, так как порой, потемневшие и вздувшиеся участки, прямо указывают на неисправность обмотки трансформатора.
• Определение правильности подключения устройства. Электрический контур, генерирующий магнитное поле обязательно должен быть подключён к первичной обмотке прибора. А вот вторая схема, потребляющая энергию трансформатора, должна быть включена в обмотку выходного напряжения.
• Фильтрация выходного сигнала фазы определяется как для диодов и конденсаторов на вторичной обмотке устройства.
• Следующим шагом нужно подготовить прибор к контрольному измерению параметров, т. е. снять защитные панели и крышки, чтобы получить свободный доступ к элементам схемы. С помощью тестера нужно в дальнейшем произвести измерение напряжения трансформатора.
• Для проведения измерений, нужно подать питание на схему устройства. Измерение параметров первичной обмотки проводится тестером в режиме переменного тока. Если полученное значение меньше чем на 80% от ожидаемого, то неисправность может быть как в самом трансформаторе, так и в схеме всего устройства.
• Проверку выходной обмотки осуществляют при помощи тестера. При этом проверяем обмотку как на возможность появления короткозамкнутых витков, так и на обрыв провода намотки катушки, по принципу измерения сопротивления (если сопротивление мало — то есть вероятность короткозамкнутых витков, а в случае когда сопротивление обмотки велико — обрыв).

После перемотки повышающего трансформатора напряжения, в случае неисправности обмотки, нужно собрать его в обратной последовательности, при этом особое внимание необходимо уделить наиболее плотному прилеганию пластин сердечника.

Самостоятельное изготовление или ремонт устройства предоставляется процессом очень сложным и трудоёмким. Для выполнения таких работ потребуется наличие необходимых материалов, а также умение производить некоторые специальные расчёты. В частности, нужно будет точно рассчитать количество витков в обмотке трансформатора, диаметр проводов для обмотки, а также сечение и тип сердечника устройства.

Поэтому лучше обратиться для проведения этих операций к квалифицированному человеку, знакомому с основными понятиями и свойствами электротехники и расчётами по необходимым формулам.

Повышающий трансформатор напряжения для дома — больше минусов, чем плюсов.

Первая мысль, которая приходит на ум, когда напряжение в сети всё чаще и чаще становится низким, поставить повышающий трансформатор. На первый взгляд кажется, что это — простое и отличное решение, и теперь, наконец-то, будет нормальное напряжение, яркое освещение и стабильно работающие электроприборы.

Но не всё так просто в сказочном королевстве, и прежде чем купить повышающий трансформатор напряжения, цена на который уж очень привлекательна, задумайтесь об одной особенности его работы: он имеет постоянный коэффициент повышения напряжения (коэффициент трансформации). Рассмотрим это на примере.

Предположим, что у вас сетевое напряжение порядка 170 вольт. Чтобы повысить его до 220, нужен трансформатор с коэффициентом трансформации 1.29 (220/170). Вроде бы всё хорошо и логично получается, за исключением одного: если напряжение в сети станет нормальным 220 вольт, то на выходе трансформатора будет уже очень высокое напряжение 285 вольт (220*1.29)! Не все электрические приборы способны выдержать такое перенапряжение в течение даже небольшого времени. Так и до пожара недалеко!

Повышающий трансформатор
ЛАТР

Как вариант, можно приобрести регулируемый автотрансформатор, т.н. ЛАТР, в котором предусмотрен ручной регулятор выходного напряжения. Но и он не будет являться надёжным решением, т.к. придётся постоянно контролировать значение выходного напряжения по индикатору и корректировать его вручную, особенно во время максимальной нагрузки электросети со стороны соседей. Если вовремя этого не делать, то при первом же скачке в электросети напряжение на выходе ЛАТРа тоже резко повысится, и подключенные электроприборы вполне могут перегореть.

Поэтому повышающие трансформаторы напряжения применимы лишь тогда, когда в сети ВСЕГДА существенно меньше 220 вольт, а такого практически никогда и не бывает.

Трансформатор своими руками: пошаговая инструкция

Несмотря на многообразие электрооборудования на рынке, далеко не во всех ситуациях можно найти подходящий преобразовательный агрегат для решения конкретной задачи. Поэтому многие обыватели пытаются изготовить  трансформатор своими руками для получения определенных параметров работы. Стоит отметить, что намотать трансформатор может каждый, даже без специализированного оборудования и особых навыков, но этот процесс довольно трудоемкий и кропотливый. Поэтому изначально вам придется определиться с типом и характеристиками прибора.

Что понадобится для сборки?

Все преобразователи подразделяются на две основные категории – повышающие и понижающие трансформаторы.

В зависимости от предназначения, конструктивных особенностей и места установки их можно разделить на такие категории:

Практически каждое из вышеперечисленных устройств вы можете воссоздать в домашних условиях. Наиболее простым вариантом является перемотка трансформатора из заводского изделия, так как он уже содержит необходимые элементы. Главное, чтобы первичная обмотка подходила по номиналу питающего напряжения и мощности. Куда хуже, если перематывать нужно обе обмотки, к примеру, если и первичная, и вторичная обмотка пробиты или получили механическое повреждение.

Для изготовления трансформатора своими руками вам понадобятся:

• Магнитопровод – служит в качестве проводника магнитного потока, лучше взять из старого трансформатора, так как он изготовлен из электротехнической стали и обеспечивает необходимые параметры работы, характеризуется малыми потерями в железе.
• Провода нужного вам сечения в лаковой, полимерной или стеклотканевой изоляции. Чем тоньше этот слой, тем плотнее прилягут витки к каркасу и друг к другу.
• Каркас – служит в качестве основания для обмоток трансформатора, устанавливает габариты по ширине. Можно взять из старого трансформатора, а можно изготовить своими руками. Материалом для каркаса может послужить электротехнический картон, гетинакс или текстолит, важно чтобы он не занимал много места в зазоре между сердечником и проводом.
• Изоляция – предназначена для электрического отделения токоведущих элементов друг от друга и от конструктивных элементов трансформатора. В промышленном производстве используется лакотканевая лента, фторопласт, парафиновая пропитка, но при самостоятельном изготовлении подойдет любой имеющийся у вас материал, главное, чтобы его диэлектрической прочности хватало для напряжения сети.
• Намоточный станок – позволяет упростить процесс и обеспечить постоянное натяжение. Можно изготовить своими руками из ручной дрели или по принципу вертела на двух шарнирах. Важно, чтобы изготовленный станок имел как можно меньший люфт.

Помимо этого вам могут пригодиться: молоток с деревянной пресс-планкой, паяльник для соединения проводов, ножницы, пассатижи. Но перед изготовлением, обязательно рассчитайте параметры трансформатора.

Расчеты

Рис. 1: принципиальная схема трансформатора

Наиболее сложный вариант, если вы будете изготавливать трансформатор своими руками с нуля. В таком случае расчет электрической машины производится в зависимости от выходной мощности. Исходя из этого параметра, рассчитывается мощность первичной обмотки. Если вы используете заводской сердечник, то можно считать эти величины одинаковыми, если вы соберете его самостоятельно, то P₂ = 0,9 * P₁

Это приблизительный расчет с учетом потерь в сердечнике. В зависимости от качества шихтовки своими руками, разница мощностей может находиться в пределах от 5 до 20%.

В зависимости от мощности первички определяется сечение магнитопровода, которое вычисляется по формуле: S = √P₁

Следует отметить, что мощность для вычислений берется в Ваттах, а размеры сердечника получаем в квадратных сантиметрах.

Далее определяется коэффициент передачи электромагнитной энергии: k = f/S, 

Где k – коэффициент передачи, f – частота сетевого напряжения переменного тока, S – площадь сечения магнитопровода.

Исходя из полученного коэффициента, определяется число витков в обмотках по величине входных и выходных напряжений: N1 = k*U₁, N2 = k*U₂

Это приблизительные вычисления, предназначенные для бытового применения радиолюбителями. Заводские трансформаторы имеют более сложную процедуру расчета, которая производится по справочникам и зависит от их типа и назначения (силовые, измерительные, трехобмоточные, тороидальные устройства и т.д.)

Далее рассчитывается сила тока в первичной обмотке трансформатора: I₁ = P₁ / U₁

Соответственно, ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора, вычисляется по  формуле: : I₂ = P₂ / U₂

Исходя из величины тока в каждой обмотке, выбирается сечение жилы. Но заметьте, что проводник в обмотке значительно хуже охлаждается, поэтому запас сечения делается на 20 – 30%. Проще выполнять данную работу медными проводами, но это требование не критично.

Таблица: выбор сечения, в зависимости от протекающего тока

Медный проводник		Алюминиевый проводник
Сечение жил, мм2	Ток, А	Сечение  жил. мм2	Ток, А
0,5	11	—	—
0,75	15	—	—
1	17	—	—
1.5	19	2,5	22
2.5	27	4	28
4	38	6	36
6	46	10	50
10	70	16	60
16	80	25	85
25	115	35	100
35	135	50	135
50	175	70	165
70	215	95	200
95	265	120	230
120	300

Сборка повышающего трансформатора

Особенностью повышающего трансформатора является большее сечение жил первичной обмотки трансформатора по отношению к вторичной. Ярким примером может служить любой агрегат, повышающий напряжение питания 220 Вольт до 400, 500, 1000 В и т.д., соответственно класс изоляции трансформатора выбирается по номиналу вторичной обмотки, как в сетевых трансформаторах.

Заметьте, что проводник большого сечения не получится намотать самодельным станком, поскольку вы не сможете выдать достаточное усилие. Определить это довольно просто – если первые витки свободно двигаются по каркасу катушки или хуже того, вы видите явный зазор между жилой и каркасом, переходите к ручной намотке.

Для сборки вам потребуется выполнить такую последовательность действий:

• Соберите основание из диэлектрического материала, для этого можно вырезать его по лекалу из картона. Сборка каркаса производится внахлест при помощи клея. Рис. 2: изготовьте каркас для трансформатора

Если у вас имеется готовый образец, можете переходить к следующему этапу.

• Сделайте отверстия в щеке катушки под выводы в электрическую сеть и к потребителю. Проденьте в них выводы. Рис. 3: проденьте вывод первичной обмотки
• Уложите первый слой изоляции под первичку. Рис. 4: нанесите слой изоляции на катушку
• Намотайте первичную обмотку трансформатора – если позволяет толщина, используйте станок, в противном случае, сделайте это руками. При намотке каждые 4 -5 витков проверяйте жесткость фиксации и плотность прилегания. Рис. 5: намотайте первичку

В случае наличия видимых зазоров рекомендуется придавливать витки деревянной пресс-плашкой или прибивать их через плашку молотком.

• Посчитайте количество витков, оно должно соответствовать расчетному, выводы проденьте в отверстия. Уложите слой изоляции на первичку.
• После слоя изоляции намотайте вторичку, так как здесь будет использоваться более тонкий провод, эту процедуру проще выполнять на станке. Рис. 6: намотайте вторичную обмотку

Периодически проверяйте плотность витков и их фиксацию на стержне. Хорошая фиксация не должна прогибаться и деформироваться при нажатии пальцами.

• Если все витки не помещаются в один слой, их выкладывают в несколько, тогда важно соблюдать одно и то же количество витков в каждом из них. Слои перекладываются диэлектрическим материалом, заметьте, что толщина изоляции не должна существенно влиять на общие габариты катушек. Рис. 7: заизолируйте первый слой
• Выведете концы вторичной обмотки на щечку каркаса.
• Поместите магнитопровод в окно каркаса, сборка сердечника выполняется поочередно с каждой стороны, иначе потери окажутся слишком большими. Затем сердечник распирается для плотности фиксации. Рис. 8: поместите катушки на сердечник

Мощные трансформаторы на большой номинал напряжения дополнительно пропитывается парафиновой изоляцией. Такая процедура приводит к повышению емкостных потерь, но создает дополнительную защиту от электрического тока.

Сборка понижающего трансформатора

Понижающий трансформатор будет отличаться большим количеством витков на первичке. В быту их можно часто встретить в блоках питания, сварочных аппаратах и прочем оборудовании. Правда, в импульсных блоках используется другая технология, поэтому ремонт таких устройств производится без трансформаторов.

Так как изготовление сварочного трансформатора своими руками довольно актуально для домашних самоделок, рассмотрим на примере этот вариант. Требования к процессу сборки соответствует предыдущему. Отличительной особенностью такого агрегата является большое сечение провода во вторичной обмотке, так как сварочный ток может достигать сотен ампер.

Процесс изготовления заключается в следующем:

1. Возьмите старое или изготовьте основание для катушки.
2. Зафиксируйте на трансформаторном каркасе слой изоляции.
3. Намотайте первичную обмотку с попеременной изоляцией слоев.
4. Заизолируйте первичку и намотайте вторичную обмотку, так как большой диаметр проводов не позволит сделать это вручную, используйте слесарный инструмент.
5. Зафиксируйте выводы обеих катушек.
6. Установите пластины сердечника.

Испытание

Для проверки работоспособности П-образных или тороидальных трансформаторов в домашних условиях можно воспользоваться обычным мультиметром. Для этого переведите измерительный прибор в режим прозвона и проверьте целостность каждой из обмоток. Затем  проверьте изоляцию между каждой из обмоток и магнитопроводом и сопротивление между обеими обмотками. Это наиболее простой комплекс испытаний, который даст общее представление об исправности самодельного агрегата.

Для проверки отсутствия короткозамкнутых витков используется лампа, включающаяся последовательно к первичной обмотке.

Помимо этого электрические машины испытываются в режиме холостого хода и короткого замыкания. Такие проверки показывают, насколько качественно собран преобразователь, но выполнять их в домашних условиях не обязательно.

Видео инструкции

конструктивные особенности приборов, способных повышать и понижать напряжение

Трансформатор преобразовывает мощность в сетях и установках, предназначенных для приема электричества и работы с ним. Повышающий трансформатор — это статический агрегат, получающий питание от источника напряжения для трансформирования высокой мощности в низкие показатели. Его применяют для обособления логических защитных контуров и измерительных линий от высокого напряжения.

Понятие трансформатора

Электромагнитное устройство с двумя или больше обмотками, связанными индукцией на магнитопроводе, называется трансформатором. Оно разработано для изменения напряжения переменного тока с сохранением частоты и используется при производстве, трансляции на расстояние и приемке электроэнергии.

Агрегат, повышающий напряжение, содержит проволочную катушку, охваченную магнитными линиями, располагающуюся на сердечнике для проведения потока. Материалом стержня служат ферромагнитные сплавы. Агрегат работает с большими мощностями, его применение обусловлено разными показателями напряжений городских линий (около 6,2 кВ), потребительского контура (0,4 кВ) и мощности, необходимой для функционирования электроприборов и машин (от единичных показаний до нескольких сотен киловольт).

Применение в сетях

Приборы устанавливаются в электрических линиях и источниках питания потребительских точек. В соответствии с законом Джоуля — Ленца при увеличении силы тока выделяется тепло, которое нагревает провод. Для транслирования энергии на большие линейные расстояния увеличивают напряжение, а токи уменьшают. При поступлении к потребителю мощность снижают, поскольку в целях безопасности пришлось бы использовать массивную изоляцию.

В начале цепочки устанавливают повышающий трансформатор, а в точке приема понижают показатели. Такие комбинации на протяжении ЛЭП используют многократно, добиваясь выгодных условий транспортировки электричества и создавая приемлемые значения для потребителя.

Из-за присутствия в сети трех фаз для трансформации энергии используют трехфазные агрегаты. Иногда применяют группу, в которой устройства объединены в модель звезды, при этому них общий проводящий стержень.

Хоть коэффициент полезного действия у агрегатов большой мощности достигает почти стопроцентного значения, всё равно выделяется много тепла. Типичный трансформатор электрической станции 1 гВт выдает несколько мегаватт. Чтобы снизить это явление, разработана охладительная система в виде бака с негорючей жидкостью или трансформаторным маслом и сильным устройством для воздушной раздачи тепла. Охлаждение чаще водяное, сухой принцип используют при небольшой мощности.

Магнитная система

Магнитопровод представляет собой комплекс пластин или других элементов из электротехнической стали, составленных в выбранной геометрической конфигурации. В конструкции сосредоточены поля агрегата. Магнитопровод в сборе вместе с узлами и соединительными элементами образует остов трансформатора. Деталь, на которую намотаны обмотки, является стержнем. Область системы, предназначенная для замыкания цепи и не несущая витков контура, называется ярмом. Расположение в пространстве стержней служит для разделения системы на следующие виды:

• плоская конструкция, в которой все сердечники располагаются на единой поверхности;
• пространственный способ — продольные стержни или сердечники и ярма находятся в различных плоскостях;
• симметричный порядок — стержни одной длины и формы располагаются так, что их пространственная установка одинаково относится ко всем элементам и сердечникам;
• несимметричный строй предполагает разные по виду и размерам стержни, расположенные отлично от аналогичных деталей.

Обмотки агрегата

Обмотка состоит из отдельных витков, являющихся проводниками, или комплекса таких передатчиков (жилы из нескольких проводов). Оборот однократно обходит стержень, ток которого совместно с токами других сердечников и систем воспроизводит магнитное поле. В результате возникает электродвижущая сила (ЭДС).

Обмотка представляет собой упорядоченный комплекс витков. Она образует цепь, в которой складываются силы, наведенные в оборотах. Обмотка трехфазного агрегата состоит из нескольких объединенных обвивок трех фаз с одинаковым напряжением.

Стержни обмоток понижающего и повышающего трансформатора делают квадратной конфигурации для наилучшего использования пространства (повышения коэффициента наполнения в окне стержня). Если требуется увеличить поперечное сечение сердечника, то его делят на несколько проводников. Это применяется для уменьшения вихревых токов в обвивке. Проводник квадратного поперечного сечения называется жилой. По функционированию обмотки делят на несколько типов:

• основные — обвивки, предназначенные для приема или отвода преобразуемой или трансформированной энергии переменного тока;
• регулирующие — те, что предусматривают выводы для изменения коэффициента преобразования напряжения при небольшом токе обмотки и маленьком диапазоне нормализации;
• вспомогательные витки обеспечивают питание собственных нужд, при этом используется малая мощность, гораздо меньшая, чем аналогичный номинальный показатель повышающего трансформатора.

Изоляцией жилы служит слой бумаги или эмалевый лак. Два параллельно проходящих защищенных провода, расположенные рядом, отгораживаются общей бумажной оберткой и называются транспонированным кабелем. Его отдельный вид составляет непрерывное продолжение, складывающееся при перемещении жилы одного слоя к следующему пласту с одинаковым шагом в единой изоляции. Бумажная защита делается из тонких полос шириной 2—4 см, нанесенных вокруг кабеля. Для получения требуемого пласта заданной толщины бумага накладывается в несколько слоёв. В зависимости от конструкции обмотка бывает:

1. Рядовая. Обороты на сердечнике кладут в направлении оси по всей протяженности обвивки. Последующие витки располагают плотно один к другому, не допуская промежутка между ними.
2. Винтовая. Является одним из вариантов многослойного нанесения. Между каждым заходом оборота оставляется расстояние.
3. Дисковая. Последовательно объединяется ряд накопителей. В них обороты кладут в радиальном направлении по спиральной форме. На первичной прослойке обвивка ведется внутрь, а на соседних кругах делается наружу.
4. Фольговая. Вместо прямоугольного кабеля ставят медные или алюминиевые пластины. Они широкие, их толщина составляет от 0,1 до 2,5 мм.

Охладительный резервуар

Является емкостью для масла и одновременно защищает активные компоненты агрегата от перегрева. В конструкции исполняет роль опоры для дополнительных и управляющих устройств. Перед наполнением из бака удаляют воздух, подвергающий разрушению изоляцию и уменьшающий ее защитные свойства. Из-за этого резервуар работает в условиях низкого атмосферного давления.

Для уменьшения шума от функционирования трансформатора должны совпадать звуковые частоты, воспроизводимые стержнем агрегата, и аналогичные показатели резонанса конструктивных элементов. Для сброса при увеличении объема жидкости в баке от нагревания устанавливается отдельно расположенная расширительная емкость.

Повышение номинальных значений мощности увеличивает скорость движения электронов снаружи и внутри трансформатора, что разрушает конструкцию. Аналогично действует рассеивающее магнитное течение в баке. Применяют вкладыши из материала, не подверженного намагничиванию. Их располагают вокруг изоляторов сильного потока, что уменьшает риск нагревания. Внутреннюю отделку бака выполняют так, чтобы она не пропускала магнитный поток через ограждения емкости. Материал с малым сопротивлением магнетизму поглощает течение перед его проникновением через наружные стенки.

Количество полуокружностей почти соответствует числу оборотов обвивки. С увеличением витков делается больше дуг, но строгая пропорциональность отсутствует. Возле выхода жирной точкой указывают начало обмоток (на двух катушках и больше). Ставят обозначения мгновенно возникающей ЭДС, они на выходах обычно одинаковы.

Такой подход используется при показе промежуточности агрегатов в преобразовательных цепочках для наметки синхронности или противофазности. Обозначение актуально и при нескольких катушках, если для их эффективного функционирования требуется соблюдать полярность. Отсутствие явного обозначения обвивок говорит о том, что они идут в одном направлении, то есть конец предыдущей соответствует началу последующей.

Особенности эксплуатации

Для определения времени службы используют понятие экономического и технического срока работы. Экономический отрезок заканчивается, когда цена трансформации мощности с помощью искомого трансформатора превышает удельную стоимость таких же услуг в соответствующей рыночной нише. Технический срок службы прекращается с выходом из строя большого числа элементов, требующих капитального ремонта агрегата.

Использование в параллельном режиме

Такой регламент применяется из-за того, что при небольшой нагрузке силовой понижающий агрегат допускает значительные потери на холостом ходу. Для исправления ситуации он заменяется группой устройств небольшой мощности, которые при необходимости отключают поодиночке. Требования к такому подсоединению:

• к параллельному использованию допускаются агрегаты с равной угловой погрешностью между вторичным и первичным показателем напряжения;
• параллельно связываются одинаково полярные полюса из областей низкой и высокой мощности;
• объединяемые устройства должны показывать аналогичный коэффициент передачи по напряжению;
• сопротивление при коротком замыкании должно отличаться в сторону уменьшения или увеличения не более 10%;
• соотношение мощности задействованных трансформаторов не должно превышать 1:3.

Агрегаты, входящие в группу, используют с одинаковыми техническими параметрами.

Частота и регулирование мощности

В случаях равного напряжения на первичных обмотках агрегаты с определенной частотой могут эксплуатироваться при увеличенных показателях сети с рекомендованной заменой навесного оборудования. При частоте меньше номинальной индукция повышает значения в магнитном приводе, что ведет к скачку тока при холостой работе и изменению его вида.

Регулирование напряжения трансформатора применяется в сети из-за того, что нормальная работа потребителей возможна только при мощности определенных параметров и минимальных от них отклонениях.

Изоляция и перенапряжение

Специалисты проводят регулярные испытания и ремонты защитного слоя трансформатора, так как он теряет свои свойства от высоких температур. Это касается агрегатного масла в охладительном баке и изоляции активных элементов. После проверки сведения о состоянии защитных материалов вписываются в паспорт агрегата.

Иногда устройства работают в условиях повышенной мощности. Перенапряжение подразделяется на два вида:

• кратковременное действие сильного фактора продолжается от одной секунды до 2—4 часов;
• переходное перенапряжение длится от 2—5 наносекунд до 3—5 миллисекунд, оно бывает колебательным или неколебательным, но всегда имеет одинаковое направление.

Иногда при перегрузке комбинируются оба вида перенапряжения. Причинами их возникновения могут быть грозовые разряды, при этом токовый показатель импульса зависит от расстояния между трансформатором и местом удара. Второй причиной являются изменения условий работы, сформированные внутри системы. Они заключаются в поломках, нарушениях проводимости, коротких замыканиях, возгораниях, частых подключениях и отключениях.

При контроле качества в заводских условиях агрегаты проверяют и выдают сведения о возможности бесперебойной работы в соответствии со стандартами.

Самодельный трансформатор с 6 В до 30000 В

Порой электронику необходимо получить высокое напряжение для различных целей. Сделать это не так уж сложно, если смастерить самодельный повышающий высоковольтный трансформатор, способный выдать 30 кВ из обычных 6 В.

Изготовление повышающего трансформатора на 30000 Вольт

Нам понадобится разборный сердечник из старого телевизора с кинескопом. Там он используется тоже в высоковольтном трансформаторе строчной развертки.

Делаем каркас под катушку. Обматываем одну сторону плотной бумагой и склеиваем суперклеем.

Снимаем с сердечника каркас и устанавливаем его для удобства на маркер. Далее обматываем слоем скотча.

Берем проволоку 0,2 мм толщиной, старый трансформатор как раз кстати.

Один конец очищаем от лака, наматываем на провод и припаиваем.

Изолируем термоусадкой. Кладем на всю длину каркаса и обматываем слоем скотча.

Матаем обмотку в ряд виток к витку. Каждый слой — 200 витков.

После каждого слоя кладем два слоя скотча и один слой изолентой.

Такая многослойность нужна обязательно, иначе катушку запросто пробьет высоким напряжением.
Намотали еще 200 витков — производим опять тройную изоляцию.

Итак должно быть 5 слоев по 200 витков. Общее количество, как вы наверное уже подсчитали, 1000 витков. Надеваем катушку на каркас.

С противоположной стороны мотаются две обмотки обычным проводом. Первая (синяя) 6 витков, вторая (желтая) 5 витков. Фиксируем суперклеем.

Схема генератора

Перед вами классическая схема блокинг-генератора на одном транзисторе. Проще не придумаешь. Собираем схему на биполярном транзисторе.


В настройке генератор практически не нуждается. И при исправных деталях работает сразу. Но если только генерация не запустилась с первого раза — попробуйте поменять вывода одной из обмоток между собой, тогда все должно заработать.

Испытания высоковольтного трансформатора

Запитываем схему от аккумуляторной батареи 6 В. Высоковольтный генератор в работе.

Дуга упала на изоляцию и тут же почти зажгла ее.


Частота генерации порядка около 10-15 кГц. При такой частоте высоковольтные разряды не так опасны, но все же не стоит прикасаться к токоведущим проводам во время работы трансформатора.

Смотрите видео