Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на магнитопроводе. Предназначен для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты.
Трансформатор осуществляет преобразование переменного напряжения или гальваническую развязку в самых различных областях применения — электроэнергетике, электронике и радиотехнике.
Конструктивно трансформатор может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных, либо ленточных обмоток (катушек), охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнито-мягкого материала.
Принцип действия
На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток намагничивания создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку.
Режимы работы
1. Режим холостого хода. Данный режим характеризуется разомкнутой вторичной цепью трансформатора, вследствие чего ток в ней не течёт. По первичной обмотке протекает ток холостого хода, главной составляющей которого является реактивный ток намагничивания. С помощью опыта холостого хода можно определить КПД трансформатора, коэффициент трансформации, а также потери в сердечнике.
2. Режим нагрузки. Этот режим характеризуется работой трансформатора с подключенным источником в первичной, и нагрузкой во вторичной цепи трансформатора. Во вторичной обмотке протекает ток нагрузки, а в первичной — ток, который можно представить как сумму тока нагрузки и ток холостого хода. Данный режим является основным рабочим для трансформатора.
3. Режим короткого замыкания. Этот режим получается в результате замыкания вторичной цепи накоротко. Это разновидность режима нагрузки, при котором сопротивление вторичной обмотки является единственной нагрузкой. С помощью опыта короткого замыкания можно определить потери на нагрев обмоток в цепи трансформатора. Это явление учитывается в схеме замещения реального трансформатора при помощи активного сопротивления.
Габаритная мощность определяется следующей формулой:
P габ = (P 1 + P 2) / 2
P габ - габаритная мощность трансформатора
P 1 - мощность первичной обмотки
P 2 - мощность вторичной обмотки
Виды трансформаторов
Силовой трансформатор переменного тока предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приёма и использования электрической энергии. Силовой трансформатор переменного тока используется для непосредственного преобразования напряжения в цепях переменного тока. Термин «силовой» показывает отличие таких трансформаторов от измерительных устройств класса «Трансформатор постоянного тока».
Автотрансформатор — вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь, но и электрическую. Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию — это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно. Недостатком является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью. Применение автотрансформаторов экономически оправдано вместо обычных трансформаторов для соединения эффективно заземленных сетей с напряжением 110 кВ и выше.
Трансформатор тока — трансформатор, первичная обмотка которого питается от источника тока. Типичное применение: снижения тока первичной обмотки до удобной величины, используемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации, кроме того, трансформатор тока осуществляет гальваническую развязку.
Трансформатор напряжения — трансформатор, питающийся от источника напряжения. Типичное применение — преобразование высокого напряжения в низкое. Применение трансформатора напряжения позволяет изолировать логические цепи защиты и цепи измерения от цепи высокого напряжения.
Импульсный трансформатор — трансформатор, предназначенный для преобразования импульсных сигналов с длительностью импульса до десятков микросекунд с минимальным искажением формы импульса. Основное применение заключается в передаче прямоугольного электрического импульса.
Разделительный трансформатор — трансформатор, первичная обмотка которого электрически не связана со вторичными обмотками. Силовые разделительные трансформаторы предназначены для повышения безопасности электросетей, при случайных одновременных прикасаниях к земле и токоведущим частям или нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения изоляции.
Согласующий трансформатор — трансформатор, применяемый для согласования сопротивления различных частей (каскадов) электронных схем при минимальном искажении формы сигнала.
Пик-трансформатор — трансформатор, преобразующий напряжение синусоидальной формы в импульсное напряжение с изменяющейся через каждые полпериода полярностью.
Сдвоенный дроссель (встречный индуктивный фильтр) — конструктивно является трансформатором с двумя одинаковыми обмотками. Благодаря взаимной индукции катушек он при тех же размерах более эффективен, чем обычный дроссель. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике.
Трансфлюксор — разновидность трансформатора, используемая для хранения информации. Основное отличие от обычного трансформатора это большая величина остаточной намагниченности магнитопровода. Иными словами трансфлюксоры могут выполнять роль элементов памяти.
Вращающийся трансформатор - трансформатор который применяется для передачи сигнала на вращающиеся объекты, например на барабан блока магнитных головок в видеомагнитофонах. Состоит из двух половин магнитопровода, каждая со своей обмоткой, одна из которой вращается относительно другой с минимальным зазором. Позволяет реализовать большие скорости вращения, при которых контактный способ съёма сигнала невозможен.
Трансформатор Тесла (катушка Тесла) — устройство, изобретённое Николой Тесла и носящее его имя. Является резонансным трансформатором, производящим высокое напряжение высокой частоты.
Конструкция
В практичной конструкции трансформатора производитель выбирает между тремя различными базовыми концепциями.
Трансформатор представляет собой устройство, которое преобразовывает напряжение переменного тока (повышает или понижает). Состоит трансформатор из нескольких обмоток (двух или более), которые намотаны на общий ферромагнитный сердечник. Если трансформатор состоит только из одной обмотки, то он называется автотрансформатором. Современные трансформаторы тока бывают: стержневыми, броневыми или тороидальными. Все три типа трансформаторов имеют похожие характеристики, и надежность, но отличаются друг от друга способом изготовления.
В трансформаторах стержневого типа обмотка намотана на сердечник, а в трансформаторах стержневого типа обмотка включается в сердечник. В трансформаторе стержневого типа обмотки хорошо видны, а из сердечника видна только нижняя и верхняя часть. Сердечник броневого трансформатора скрывает в себе практически всю обмотку. Обмотки трансформатора стержневого типа расположены горизонтально, в то время как это расположение в броневом трансформаторе может быть как вертикальным, так и горизонтальным.
Независимо от типа трансформатора, в его состав входят такие три функциональные части: магнитная система трансформатора (магнитопровод), обмотки, а также система охлаждения.
Принцип работы трансформатора
В трансформаторе принято выделять первичную и вторичную обмотку. К первичной обмотке напряжение подводится, а от вторичной отводится. Действие трансформатора основано на законе Фарадея (законе электромагнитной индукции): изменяющийся во времени магнитной поток через площадку, ограниченную контуром, создает электродвижущую силу. Справедливо также обратное утверждение: изменяющийся электрический ток индуцирует изменяющееся магнитное поле.
В трансформаторе есть две обмотки: первичная и вторичная. Первичная обмотка получает запитку от внешнего источника, а с вторичной обмотки напряжение снимается. Переменный ток первичной обмотки создает в магнитопроводе переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создает ток во вторичной обмотке.
Режимы работы трансформатора
Существуют такие три режима работы трансформатора: холостой ход, режим короткого замыкания, рабочий режим. Трансформатор «на холостом ходу», когда выводы от вторичных обмоток никуда не подключены. Если сердечник трансформатора изготовлен из магнитомягкого материала, тогда ток холостого хода показывает, какие в трансформаторе происходят потери на перемагничивание сердечника и вихревые токи.
В режиме короткого замыкания выводы вторичной обмотки соединены между собой накоротко, а на первичную обмотку подают небольшое напряжение, с таким расчетом, чтобы ток короткого замыкания был равен номинальному току трансформатора. Величину потерь (мощность) можно посчитать, если напряжение во вторичной обмотке умножить на ток короткого замыкания. Такой режим трансформатора находит свое техническое применение в измерительных трансформаторах.
Если подключить нагрузку к вторичной обмотке, то в ней возникает ток, индуцирующий магнитный поток, направленный противоположно магнитному потоку в первичной обмотке. Теперь в первичной обмотке ЭДС источника питания и ЭДС индукции питания не равны, поэтому ток в первичной обмотке увеличивается до тех пор, пока магнитный поток не достигнет прежнего значения.
Для трансформатора в режиме активной нагрузки справедливо равенство:
U_2/U_1 =N_2/N_1
, где U2, U1 – мгновенные напряжения на концах вторичной и первичной обмоток, а N1, N2 – количество витков в первичной и вторичной обмотке. Если U2 > U1, трансформатор называется повышающим, в противном случае перед нами понижающий трансформатор. Любой трансформатор принято характеризовать числом k, где k – коэффициент трансформации.
Виды трансформаторов
В зависимости от своего применения и характеристик трансформаторы бывают нескольких видов. К примеру, в электрических сетях населенных пунктов, промышленных предприятий применяют трансформаторы силовые, основной задачей которых является понижение напряжения в сети до общепринятого – 220 В.
Если трансформатор предназначен для регулировки тока, он называется трансформатор тока, а если устройство регулирует напряжение – то это трансформатор напряжения. В обычных сетях применяются однофазные трансформаторы, в сетях на три провода (фаза, ноль, заземление) нужен трехфазный трансформатор.
Бытовой трансформатор, 220В предназначается для защиты бытовой техники от перепадов напряжения.
Сварочный трансформатор предназначен для разделения сварочной и силовой сети, для понижения напряжения в сети до нужной для сварки величины.
Масляный трансформатор предназначается для использования в сетях с напряжением выше 6 000 Вольт. Конструкция трансформатора включает в себя: магнитопровод, обмотки, бак, а также крышки с вводами. Магнитопровод состоит из 2 листов электротехнической стали, которые изолированы друг от друга, обмотки, как правило, делают из алюминиевого или медного провода. Регулировка напряжения производится с помощью ответвления, которое соединяется с переключателем.
Существует два вида переключения ответвлений: переключение под нагрузкой - РПН (регулирование под нагрузкой), а также без нагрузки, после того, как трансформатор отключен от внешней сети (ПБВ, или переключение без возбуждения). Большее распространение получил второй способ регулировки напряжения.
Говоря о видах трансформаторов, нельзя не рассказать об электронном трансформаторе. Электронный трансформатор представляет собой специализированный источник питания, который служит для преобразования напряжения 220В в 12 (24)В, при большой мощности. Электронный трансформатор намного меньше обычного, при тех же самых параметрах нагрузки.
Уравнения идеального трансформатора
Для того чтобы рассчитать основные характеристики трансформаторов, принято пользоваться простыми уравнениями, которые знает каждый современный школьник. Для этого используют понятие идеального трансформатора. Идеальным трансформатором называется такой трансформатор, в котором нет потерь энергии на нагрев обмоток и вихревые токи. В идеальном трансформаторе энергия первичной цепи превращается полностью в энергию магнитного поля, а затем – в энергию вторичной обмотки. Именно поэтому мы можем написать:
P1= I1*U1 = P2 = I2*U2
,
где P1, P2 – мощности электрического тока в первичной и вторичной обмотке соответственно.
Магнитопровод трансформатора
Магнитопровод представляет собой пластины из электротехнической стали, которые концентрируют в себе магнитное поле трансформатора. Полностью собранная система с деталями, скрепляющими трансформатор в единое целое – это остов трансформатора. Та часть магнитопровода, на которой крепятся обмотки, называется стержнем трансформатора. Часть магнитопровода, которая не несет на себе обмотку и замыкает магнитную цепь, называется ярмом.
В трансформаторе стержни могут располагаться по-разному, поэтому выделяют такие четыре типа магнитопроводов (магнитных систем): плоская магнитная система, пространственная магнитная система, симметричная магнитная система, несимметричная магнитная система.
Обмотка трансформатора
Теперь поговорим об обмотке трансформатора. Основная часть обмотки – виток, который однократно обхватывает магнитопровод и в котором индуцируется магнитное поле. Под обмоткой понимают сумму витков, ЭДС всей обмотки равна сумме ЭДС в каждом витке.
В силовых трансформаторах обмотка обычно состоит из проводников, имеющих квадратное сечение. Такой проводник по-другому еще называется жилой. Проводник квадратного сечения используется для того, чтобы более эффективно использовать пространство внутри сердечника. В качестве изоляции каждой жилы может использоваться либо бумага, либо эмалевый лак. Две жилы могут быть соединены между собой, и иметь одну изоляцию – такая конструкция называется кабелем.
Обмотки бывают следующих типов: основные, регулирующие и вспомогательные. Основной называется обмотка, к которой подводится или от которой отводится ток (первичная и вторичная обмотка). Обмотка с выводами для регулирования коэффициента трансформации напряжения называется регулирующей.
Применение трансформаторов
Из курса школьной физики известно, что потери мощности в проводах прямо пропорциональны квадрату силы тока. Поэтому для передачи тока на большие расстояния напряжение повышают, а перед подачей потребителю наоборот, понижают. В первом случае нужны повышающие трансформаторы, а во втором – понижающие. Это основное применение трансформаторов.
Трансформаторы применяются также в схемах питания бытовых приборов. Например, в телевизорах применяют трансформаторы, имеющие несколько обмоток (для питания схем, транзисторов, кинескопа, и т.д.).
- Изоляция трансформатора на основе безматричной вакуумной пропитки и работает в среде с высокой влажностью воздуха и в химически агрессивной атмосфере.
- Минимальное выделение энергии горения (например, 43 кг для трансформатора 1600 кВА соответствуют 1,1% веса). Другие изоляционные материалы являются практически негорючими, самозатухающими и не содержат каких-либо токсичных добавок.
- Устойчивость трансформатора к загрязнениям благодаря конвекционным самоочищающимся дискам обмотки.
- Большая длина утечки по поверхности дисков обмотки, которые создают эффект изоляционных барьеров.
- Устойчивость трансформатора к температурной ударной нагрузке даже при крайне низких температурах (-50°С).
- Керамические блоки прокладки (без возможности возгорания) между дисками обмотки.
- Изоляция проводников стекло-шелк.
- Безопасность эксплуатации трансформатора благодаря специальной структуре обмотки Воздействие напряжения на изоляцию никогда не превышает напряжение изоляции (не более 10 В). Частичные разряды в изоляции физически невозможны.
- Охлаждение трансформатора обеспечивается вертикальными и горизонтальным каналам охлаждения, а минимальная толщина изоляции обеспечивают возможность работы трансформатора при больших кратковременных перегрузках в защитном корпусе IP 45 без принудительного охлаждения.
- Изоляционный цилиндр сделан и практически негорючего и самозатухающего материала, армированного стекловолокном.
- Обмотка низкого напряжения из стандартного провода или фольги; в качестве материала обмотки используется медь.
- Динамическая устойчивость трансформатора к коротким замыканиям обеспечивается керамическими изоляторами.
В данной статье мы рассмотри, что такое трансформатор. Виды трансформаторов будут описаны, принцип действия и конструкции тоже не останутся без внимания. Стоит отметить, что это вид статических (неподвижных) машин переменного тока, которые используются для различных целей не только в быту, но и в промышленности. Например, для учета потребляемой электроэнергии. Но обо всем по порядку.
Что это за устройство?
Это электрическая статическая машина, которая используется для преобразования тока или напряжения. Причем можно выделить несколько видов устройств в зависимости от того, от какой сети производится питание. Так, трехфазные имеют три сетевые обмотки, которые включаются по схеме «звезда» или «треугольник». В этом можно провести аналогию с асинхронными электродвигателями. Существуют разнообразные виды силовых трансформаторов, о которых будет рассказано немного ниже.
Но в быту используются устройства, в которых одна сетевая обмотка. К тому же имеется как минимум одна вторичная, которая служит для питания устройств. Например, в ламповой технике применяются у которых несколько вторичных обмоток. Возникала необходимость с одного устройства получать несколько значений напряжения: 6,3 В, 250 В. Кроме того, в быту можно встретить Они установлены в электросчетчиках и служат для работы устройства контроля.
Конструкция
Основу трансформатора выделить сложно, но если опираться на вес, то это, несомненно, сердечник (магнитопровод). Он изготавливается из стальных листов, которые собраны воедино и плотно стянуты друг с другом. Это позволяет получить максимально возможное сечение магнитопровода. Но не только сталь может применяться, нередко изготавливаются сердечники из ферромагнетиков. Это вещество, которое по свойствам очень схоже с металлом, но имеет несколько иную структуру. Существуют определенные виды трансформаторов, фото основных конструкций приведены в статье.
В конструкции присутствует минимум две обмотки. На одну (первичную) производится подача напряжения питания. Со второй, третьей, N-ной, снимается пониженное напряжение с частотой и формой, аналогичной входному. Обмотки силовых состоят из медного провода. Он наматывается на каркасе, расположенном вокруг магнитопровода. При подаче напряжения в первичную цепь появляется переменное которое во вторичной обмотке индуцирует ЭДС. В результате этого на выходе появляется некоторая разность потенциалов.
Силовые трансформаторы
К указанным типам относятся те, которые преобразуют электроэнергию в сети. Это не только устанавливаемый на подстанциях трансформатор. Виды трансформаторов силовых разнообразны, они служат не только для понижения напряжения со 110 кВ, например, до 6 кВ, в случае с подстанцией. К ним можно отнести и устройства, используемые в блоках питания бытовой радиоаппаратуры. По сути, конструкция у всех аналогичная, имеются общие узлы.
Даже виды которых разнообразны, имеют аналогичное строение. Вот только есть мелкие нюансы, например, силовые машины на подстанциях оборудованы системой масляного охлаждения, в то время как сварочные работают без него. Зато у последних имеется регулировка выходного тока. Это необходимо для сварки различных по толщине металлов. Ну а устройства, используемые в быту, и вовсе лишены таких регулировок.
Автотрансформаторы
Автотрансформатор - один из видов, у которого первичная и вторичная обмотки соединены напрямую. Это позволяет получить не только электрическую связь в устройстве, но и электромагнитную. Обычно имеется у автотрансформатора три вывода, а это позволяет получать различные значения напряжения. Отличительная особенность автотрансформаторов - высокий Но есть и один существенный недостаток - первичная и вторичная цепи электрически не изолированы друг от друга. Используется по большей части для регулирования мощности потребителя такой трансформатор. Виды трансформаторов для иных целей рассмотрены ниже.
Измерительные
Для использования в электроустановках переменного тока создан специальный вид трансформаторов - измерительный. Благодаря им увеличиваются пределы измерительных устройств. Кроме того, они позволяют без электрического соединения с силовым проводом провести замер протекающего по нему тока. Другими словами, без гальванической связи имеется возможность контроля протекающего тока в цепи. Но можно выделить два типа измерительных устройств - трансформаторы напряжения и тока. Существуют различные виды трансформаторов тока, их отличие в габаритах и области применения.
Трансформаторы тока позволяют осуществить преобразование. При этом большой ток, протекающий в цепи, снижается до безопасного значения. Причем он на выходе безопасен для систем управления или измерения, устройств сигнализации и защиты. Первичная обмотка - это отрезок проводника, вокруг него проведена намотка вторичной. С последней снимается ток в 1 или 5 Ампер. А вот трансформаторы напряжения предназначены для иной цели. Они производят понижение напряжения для измерения характеристик. С их помощью осуществляется защитных устройств от цепи с высоким напряжением.
Импульсные
Этот тип устройств используется для узкоспециализированных целей. Он необходим для преобразования серии импульсных сигналов. Причем длительность одного импульса может достигать нескольких десятков микросекунд. Причем имеется одна небольшая особенность - изменяется только амплитуда сигнала, но не его форма. Между прочим, имеются определенные виды защит также снабжаются схемами, предотвращающими превышение напряжения или тока.
Как правило, импульсные устройства применяются в цепях, в которых протекает сигнал прямоугольной формы. Зачастую такой вид устройств используется в телевизионной технике. Они преобразуют малые по длительности импульсы видеосигнала с очень большой скважностью. Причем на выходе вы получаете сигнал в первозданном виде, но с увеличенной амплитудой.
Заключение
Теперь вы знаете, что такое трансформатор. Виды трансформаторов мы рассмотрели и увидели, что все они обладают небольшими отличиями, несмотря на то, что конструкция во многом схожа. Обратите внимание, что при работе с любыми электрическими устройствами необходимо соблюдать технику безопасности. Кроме того, для обслуживания электросетей переменного тока необходимо иметь группу допуска.
Содержание:Стандартный трансформатор является статическим электромагнитным устройством с двумя и более обмотками, индуктивно связанными между собой посредством магнитопровода. Его основная функция заключается в преобразовании одного значения напряжения в другое, с сохранением одной и той же частоты. Трансформатор в электрических цепях применяется в самых различных областях. Он используется для передачи электроэнергии, а также в электронных и радиотехнических схемах.
Что такое трансформатор
По своей сути, трансформатор является преобразователем электрического тока. Для изменения напряжения используется .
Основные принципы работы данных устройств заключаются в следующем:
- Электрический ток изменяется во времени и создает магнитное поле, подверженное аналогичным изменениям.
- Измененный магнитный поток, проходящий через обмотку трансформатора, вызывает появление в ней электромагнитной индукции. Некоторые устройства с высокими или сверхвысокими частотами могут не иметь магнитопровода. В идеальном варианте не должно быть потерь электроэнергии, расходуемой на потоки рассеивания и нагрев обмоток.
Трансформаторы могут работать в различных режимах:
- Холостой ход. В данном случае вторичная цепь устройства разомкнута и ток по ней не проходит. Компенсация напряжения источника питания происходит за счет компенсации электродвижущей силы индукции в первичной обмотке.
- Режим нагрузки. Вторичная цепь находится в замкнутом состоянии. В ней появляется ток, под действием которого в магнитопроводе возникает магнитный поток. Он действует в противоположном направлении относительно магнитного потока, возникающего в первичной обмотке. Равновесие ЭДС индукции с источником питания оказывается нарушенным. В результате, ток в первичной обмотке будет увеличиваться, пока значение магнитного потока не выйдет на прежний уровень. Это основной рабочий режим для любого трансформатора.
- В режиме короткого замыкания вторичная цепь замыкается накоротко. Данное состояние позволяет определить, насколько теряется полезная мощность трансформатора при нагреве проводов. Подача небольшого переменного напряжения осуществляется на первичную обмотку. Его величина должна быть одинаковой с номинальным током устройства.
Из чего состоит трансформатор
Основой каждого трансформатора является замкнутый сердечник, выполняющий функцию магнитопровода. Для его изготовления применяется электротехническая сталь в виде листов, толщиной 0,35 - 0,5 мм. На магнитопровод наматываются изолированные медные провода.
Участки сердечника с обмотками носят название стержней, а те, которые без обмоток, называются ярмами. Обмотка, на которую поступает электроэнергия, именуется первичной. Другая обмотка, из которой выходит преобразованный ток, называется вторичной. Они обе разделены между собой путем электрической изоляции, кроме автоматических трансформаторов.
Величины каждой обмотки определенным образом соотносятся между собой. Например, отношение напряжения между концами первичной и вторичной обмотки такое же, как и соотношение количества витков в этих обмотках.
В процессе работы трансформатора электрическая энергия, поступающая из сети в первичную обмотку, преобразуется в магнитное поле. Далее, попадая во вторичную обмотку, энергия магнитного поля вновь превращается в электроэнергию с такой же частотой, но с другим значением. На практике таких показателей достичь невозможно, поскольку КПД устройства всегда меньше единицы, поскольку имеют место потери энергии при нагреве обмоток и стержней. Если трансформатору обеспечен нормальный режим работы, то в этом случае КПД может составить даже 0,98 - 0,99.
Виды трансформаторов
Современные трансформаторные устройства имеют множество разновидностей и применяются в самых различных областях.
Силовые трансформаторы
Передача электроэнергии на расстояние осуществляется с помощью силовых трансформаторов. Эти низкочастотные приборы выполняют ее прием и преобразование. Название силовых они получили из-за работы с напряжением, которое может достигать более 1000 киловольт.
В городах такие трансформаторы понижают напряжение до 0,4 кВ, превращая в 380 или 220 вольт, необходимых для нормального потребления. Эти устройства оборудуются двумя, тремя и более обмоток, что позволяет одновременно преобразовывать напряжение сразу с нескольких генераторов. Нормальный температурный баланс поддерживается с помощью трансформаторного масла, а в особо мощных приборах дополнительно установлена система активного охлаждения.
Сетевые трансформаторы
До недавнего времени практически во всех электрических приборах устанавливались сетевые однофазные трансформаторы. С помощью этих устройств, обычное напряжение сети в 220 вольт снижалось до необходимого уровня в 5, 12, 24 и 48 В.
В сетевых трансформаторах практиковалась установка сразу нескольких вторичных обмоток. Такая конструкция обеспечивала питание разных частей схемы сразу от нескольких источников питания. Например, трансформатор накаливания обязательно присутствовал в схемах с радиолампами.
В современных приборах этого типа используются Ш-образные, тороидальные или стержневые сердечники. Их основой являются пластины, выполненные из электротехнической, стали. При тороидальной форме магнитопровода трансформаторы получаются более компактными, обмотка проходит по всей поверхности, не оставляя пустых участков ярма.
Автотрансформаторы
Автотрансформаторы также относятся к низкочастотным устройствам, в которых первичная и вторичная обмотка дополняет друг друга. Между ними существует не только магнитная, но и электрическая связь. Единственная обмотка оборудована сразу несколькими выводами, что позволяет получать разные значения напряжения. Данные устройства отличаются более низкой стоимостью, поскольку провода для обмоток нужно меньше, как и стали для сердечника. В итоге общая масса прибора также снижается.
Лабораторные трансформаторы
Для выполнения специфических задач используются лабораторные трансформаторы. С его помощью выполняется плавная регулировка напряжения. Конструкция выполнена в виде . В единственной обмотке имеется неизолированная дорожка, позволяющая подключаться к любому витку. Для контакта с дорожкой используется скользящая угольная щетка, для управления которой предусмотрена специальная поворотная ручка. Данные устройства чаще всего применяются в лабораторных условиях, чтобы выполнить наладку оборудования.
Трансформаторы тока
Многие измерительные работы проводятся с применением трансформаторов тока. Специфика работы этих устройств заключается в подключении первичной обмотки к источнику тока, а вторичной - к измерительным или защитным приборам с незначительным внутренним сопротивлением.
В состав первичной обмотки входит всего один виток в виде единственного провода. Для проведения измерений выполняется его последовательное включение в цепь переменного тока. В результате, возникает пропорция между токами первичной и вторичной обмотки, используемой только под нагрузкой. В противном случае, слишком высокое напряжения во вторичной обмотке может привести к пробою изоляции. Кроме того, ее размыкание приведет к выгоранию магнитопровода под действием наведенного некомпенсированного тока.
Конструкция прибора состоит из сердечника, материалом для которого служит кремнистая шихтованная холоднокатаная электротехническая сталь. На него наматываются изолированные обмотки в количестве одной или нескольких, выполняющие функции вторичных. В качестве первичной обмотки чаще всего используется обычная шина или провод с измеряемым током, пропущенный через отверстие в магнитопроводе. Основным параметром трансформатора тока является .
Импульсные трансформаторы
Многие устройства, например, сварочные аппараты, сетевые блоки питания, инверторы и другие аналогичные устройства не могут обойтись без импульсных трансформаторов. Основным конструктивным элементом стандартного прибора служит ферритовый сердечник, представленный большим количеством разнообразных форм. Их главным преимуществом является способность работы на частоте 500 кГц и выше.
Поскольку данное устройство относится к высокочастотным трансформаторам, его габаритные размеры существенно снижаются с увеличением частоты. Обмотки требуют меньшего количества проводов, а высокочастотный ток в первичной цепи вырабатывается за счет применения полевых или биполярных транзисторов.
Маркировка трансформаторов
Очень многие пользователи не всегда обращают внимания на маркировку трансформаторов, а некоторые просто не умеют правильно ее расшифровывать. Основные конструкции маркируются как ТМ, ТМЗ, ТСЗ, ТСЗС, ТРДНС, ТМН, ТДН, ТДНС и так далее.
Буквенные обозначения соответствуют следующим характеристикам:
- Т - трехфазное устройство.
- Р - разделение обмотки низкого напряжения на две части.
- С - сухой трансформатор.
- М - наличие масляного охлаждения с естественной циркуляцией.
- Ц - принудительная циркуляция воды и масла. Вода циркулирует по трубам, а масло течет между ними в виде ненаправленного потока.
- МЦ - циркуляция воздуха - естественная, а масло циркулирует принудительно, ненаправленным потоком.
- Д - движение масла принудительное, а воздуха - естественное.
- ДЦ - принудительное движение воздуха и масла.
- Н - регулировка напряжения осуществляется под нагрузкой.
- С - если проставлена в конце маркировки, значит трансформатор используется для собственных нужд электростанции.
- З - трансформатор без расширителя, герметичный, с азотной подушкой.
Трансформаторы с тремя обмотками маркируются как ТМТН, ТДТН, ТДЦТН, где на три обмотки указывает вторая буква Т. Наличие буквы А указывает на автотрансформатор, О - однофазное устройство, Г - грозоупорная конструкция.
Кроме того, в маркировке указывается класс напряжения, применяемый в работе, режим и условия функционирования, а также точная конструкция устройства. Номинальная мощность и класс напряжения проставляется после буквенной маркировки через дефис. Обозначение имеет вид дроби, где числитель является номинальной мощностью в киловольт-амперах, а знаменатель соответствует классу напряжения в киловольтах.
Применение трансформатора
Недостаточно только выработать электрическую энергию. Не меньшую сложность представляет ее передача на значительные расстояния и дальнейшее распределение среди потребителей. И здесь не обойтись без специальных аппаратов - трансформаторов, выполняющих повышение или понижение напряжения.
Каждый трансформатор в электрических цепях может применяться на открытом воздухе или внутри помещений. Эти устройства дали возможность передачи электроэнергии с минимальными потерями в проводах, за счет уменьшенной площади сечения.
Высокое напряжение, поступающее со станции, не может напрямую поставляться потребителям. Поэтому на входе производится установка понижающих трансформаторов. Они доводят ток до нужного значения, при котором нормально функционирует оборудование и бытовая техника.
Одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока без изменения частоты систем(системы) переменного тока .
Трансформатор осуществляет преобразование напряжения переменного тока и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения - электроэнергетике, электронике и радиотехнике.
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.
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 тех случаях, когда надо обеспечить минимальный уровень высокочастотных помех, например при 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 (I 1 =I 2 w 2 /w 1 ,U 1 =U 2 w 1 /w 2) видно, что со стороны цепи первичной обмотки всякое сопротивление во вторичной обмотке выглядит в (w 1 /w 2)² раз больше. Поэтому согласующие трансформаторы применяются для подключения низкоомной нагрузки к каскадам электронных устройств , имеющим высокое входное или высокочастотных линиях , где различие сопротивления линии и нагрузки привело бы к отражению сигнала от концов линии, и, следовательно, к большим потерям.
