Что такое трансформатор: устройство, принцип работы, схема и назначение

Может быть, кто-то думает, что трансформатор – это что-то среднее между трансформером и терминатором. Данная статья призвана разрушить подобные представления.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного электрического тока одного напряжения и определенной частоты в электрический ток другого напряжения и той же частоты.

Работа любого трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции, открытой Фарадеем.

Назначение трансформаторов

Разные виды трансформаторов используются практически во всех схемах питания электрических приборов и при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Электростанции вырабатывают ток относительно небольшого напряжения – 220, 380, 660В. Трансформаторы, повышая напряжение до значений порядка тысяч киловольт, позволяют существенно снизить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния, а заодно и уменьшить площадь сечения проводов ЛЭП.

Непосредственно перед тем как попасть к потребителю (например, в обычную домашнюю розетку), ток проходит через понижающий трансформатор. Именно так мы получаем привычные нам 220 Вольт.

Самый распространенный вид трансформаторов – силовые трансформаторы. Они предназначены для преобразования напряжения в электрических цепях. Помимо силовых трансформаторов в различных электронных приборах применяются:

Принцип работы трансформатора

Трансформаторы бывают однофазные и многофазные, с одной, двумя или большим количеством обмоток. Рассмотрим схему и принцип работы трансформатора на примере простейшего однофазного трансформатора.

Кстати, в других статьях можно почитать, что такое фаза и ноль в электричестве.

Из чего состоит трансформатор? Во простейшем случае из одного металлического сердечника и двух обмоток. Обмотки электрически не связаны одна с другой и представляют собой изолированные провода.

Одна обмотка (ее называют первичной) подключается к источнику переменного тока. Вторая обмотка, называемая вторичной, подключается к конечному потребителю тока.

Когда трансформатор подключен к источнику переменного тока, в витках его первичной обмотки течет переменный ток величиной I1. При этом образуется магнитный поток Ф, который пронизывает обе обмотки и индуцирует в них ЭДС.

Бывает, что вторичная обмотка не находится под нагрузкой. Такой режимы работы трансформатора называется режимом холостого хода. Соответственно, если вторичная обмотка подключена к какому-либо потребителю, по ней течет ток I2, возникающий под действием ЭДС.

Величина ЭДС, возникающей в обмотках, напрямую зависит от числа витков каждой обмотки. Отношение ЭДС, индуцированных в первичной и вторичной обмотках, называется коэффициентом трансформации и равно отношению количества витков соответствующих обмоток.

Путем подбора числа витков на обмотках можно увеличивать или уменьшать напряжение на потребителе тока с вторичной обмотки.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор – трансформатор, в котором отсутствуют потери энергии. В таком трансформаторе энергия тока в первичной обмотке полностью преобразуется сначала в энергию магнитного поля, а далее – в энергию вторичной обмотки.

Конечно, такого трансформатора не существует в природе. Тем не менее, в случае, когда теплопотерями можно пренебречь, в расчетах удобно пользоваться формулой для идеального трансформатора, согласно которой мощности тока в первичной и вторичной обмотках равны.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Потери энергии в трансформаторе

Коэффициент полезного действия трансформаторов достаточно высок. Тем не менее, в обмотке и сердечнике происходят потери энергии, приводящие к тому, что температура при работе трансформатора повышается. Для трансформаторов небольшой мощности это не представляет проблемы, и все тепло уходит в окружающую среду – используется естественное воздушное охлаждение. Такие трансформаторы называют сухими.

В более мощных трансформаторах воздушного охлаждения оказывается недостаточно, и применяется охлаждение маслом. В этом случае трансформатор помещается в бак с минеральным маслом, через которое тепло передается стенкам бака и рассеивается в окружающую среду. В трансформаторах высоких мощностей дополнительно применяются выхлопные трубы – если масло закипает, образовавшимся газам нужен выход.

Источник

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:

Виды трансформаторов

Среди многообразных трансформаторных устройств чаще всего встречаются трансформаторы:

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:

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 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.

Источник

Виды трансформаторов

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, содержащее от двух до нескольких обмоток, расположенных на общем магнитопроводе, и индуктивно связанных, таким образом, между собой. Служит трансформатор для преобразования электрической энергии переменного тока посредством электромагнитной индукции без изменения частоты тока. Используют трансформаторы как для преобразования переменного напряжения, так и для гальванической развязки в различных сферах электротехники и электроники.

Справедливости ради отметим, что в некоторых случаях трансформатор может содержать и всего одну обмотку (автотрансформатор), а сердечник может и вовсе отсутствовать (ВЧ — трансформатор), однако в большинстве своем трансформаторы имеют сердечник (магнитопровод) из магнитомягкого ферромагнитного материала, и две или более изолированные ленточные или проволочные обмотки, охватываемые общим магнитным потоком, но обо всем по порядку. Рассмотрим, какие же бывают виды трансформаторов, как они устроены и для чего применяются.

Данный вид низкочастотных (50-60 Гц) трансформаторов служит в электрических сетях, а также в установках приема и преобразования электрической энергии. Почему называется силовой? Потому что именно этот тип трансформаторов применяется для подачи и приема электроэнергии на ЛЭП и с ЛЭП, где напряжение может достигать 1150 кВ.

В городских электросетях напряжение достигает 10 кВ. Посредством именно силовых низкочастотных трансформаторов напряжение также и понижается до 0,4 кВ, 380/220 вольт, необходимых потребителям.

Конструктивно типичный силовой трансформатор может содержать две, три или более обмоток, расположенных на броневом сердечнике из электротехнической стали, причем некоторые из обмоток низшего напряжения могут питаться параллельно (трансформатор с расщепленными обмотками).

Это удобно для повышения напряжения, получаемого одновременно с нескольких генераторов. Как правило, силовой трансформатор помещен в бак с трансформаторным маслом, а в случае особо мощных экземпляров добавляется система активного охлаждения.

Трансформаторы силовые трехфазные мощностью до 4000 кВА устанавливаются на подстанциях и электростанциях. Более распространены трехфазные, поскольку потери получаются до 15% меньше, чем с тремя однофазными.

Сетевые трансформаторы еще в 80-е и 90-е годы можно было встретить практически в любом электроприборе. С помощью именно сетевого трансформатора (обычно однофазного) напряжение бытовой сети 220 вольт с частотой 50 Гц понижается до уровня, требуемого электроприбору, например 5, 12, 24 или 48 вольт.

Часто сетевые трансформаторы выполняются с несколькими вторичными обмотками, чтобы несколько источников напряжения можно было бы использовать для питания различных частей схемы. В частности, трансформаторы ТН (трансформатор накальный) всегда можно было (да и сейчас можно) встретить в схемах, где присутствовали радиолампы.

Современные сетевые трансформаторы конструктивно выполняются на Ш-образных, стержневых или тороидальных сердечниках из набора пластин электротехнической стали, на которые и навиваются обмотки. Тороидальная форма магнитопровода позволяет получить более компактный трансформатор.

Если сравнить трансформаторы равной габаритной мощности на тороидальном и на Ш-образном сердечниках, то тороидальный будет занимать меньше места, к тому же площадь поверхности тороидального магнитопровода полностью охватывается обмотками, нет пустого ярма, как в случае с броневым Ш-образным или стержневым сердечниками. К сетевым можно отнести в частности и сварочные трансформаторы мощностью до 6 кВт. Сетевые трансформаторы, конечно, относятся к низкочастотным трансформаторам.

Одной из разновидностей низкочастотного трансформатора является автотрансформатор, у которого вторичная обмотка является частью первичной или первичная является частью вторичной. То есть в автотрансформаторе обмотки связаны не только магнитно, но и электрически. Несколько выводов делаются от единственной обмотки, и позволяют всего с одной обмотки получить различное напряжение.

Главное преимущество автотрансформатора — меньшая стоимость, поскольку расходуется меньше провода для обмоток, меньше стали для сердечника, в итоге и вес получается меньше, чем у обычного трансформатора. Недостаток — отсутствие гальванической развязки обмоток.

Автотрансформаторы находят применение в устройствах автоматического управления, а также широко используются в высоковольтных электросетях. Трехфазные автотрансформаторы с соединением обмоток в треугольник либо в звезду в электрических сетях весьма востребованы сегодня.

Силовые автотрансформаторы выпускаются на мощности вплоть до сотен мегаватт. Применяют автотрансформаторы и для пуска мощных двигателей переменного тока. Автотрансформаторы особенно целесообразны при невысоких коэффициентах трансформации.

Частным случаем автотрансформатора является лабораторный автотрансформатор (ЛАТР). Он позволяет плавно регулировать напряжение, подаваемое к потребителю. Конструкция ЛАТРа представляет собой тороидальный трансформатор с единственной обмоткой, которая имеет неизолированную «дорожку» от витка к витку, то есть имеется возможность подключения к каждому из витков обмотки. Контакт с дорожкой обеспечивается скользящей угольной щеткой, которая управляется поворотной ручкой.

Так можно получить на нагрузке действующее напряжение различной величины. Типичные однофазные ЛАТРы позволяют получать напряжение от 0 до 250 вольт, а трехфазные — от 0 до 450 вольт. ЛАТРы мощностью от 0,5 до 10 кВт очень популярны в лабораториях для целей наладки электрооборудования.

Трансформатором тока называется трансформатор, первичная обмотка которого подключается к источнику тока, а вторичная — к защитным или измерительным приборам, имеющим малые внутренние сопротивления. Наиболее распространенным типом трансформатора тока является измерительный трансформатор тока.

Первичная обмотка трансформатора тока (обычно — всего один виток, один провод) включается последовательно в цепь, в которой требуется измерить переменный ток. Получается в результате, что ток вторичной обмотки пропорционален току первичной, при этом вторичная обмотка обязательно должна быть нагружена, ибо иначе напряжение вторичной обмотки может получиться достаточно высоким, чтобы пробить изоляцию. Кроме того, если вторичную обмотку ТТ разомкнуть, то магнитопровод просто выгорит от наведенных некомпенсированных токов.

Конструкция трансформатора тока представляет собой сердечник из шихтованной кремнистой холоднокатаной электротехнической стали, на который намотана одна или несколько изолированных обмоток, являющихся вторичными. Первичная обмотка зачастую — просто шина, либо пропущенный через окно магнитопровода провод с измеряемым током (на этом принципе, кстати, работают токоизмерительные клещи). Главная характеристика трансформатора тока — коэффициент трансформации, например 100/5 А.

Для измерения тока и в схемах релейной защиты трансформаторы тока применяются достаточно широко. Они безопасны, поскольку измеряемая и вторичная цепи гальванически изолированы друг от друга. Обычно промышленные трансформаторы тока выпускаются с двумя или более группами вторичных обмоток, одна из которых подключается к защитным устройствам, другая — к устройству измерения, например к счетчикам.

Почти во всех современных сетевых блоках питания, в разнообразных инверторах, в сварочных аппаратах, и в прочих силовых и маломощных электрических преобразователях применяются импульсные трансформаторы. Сегодня импульсные схемы почти полностью вытеснили тяжелые низкочастотные трансформаторы с сердечниками из шихтованной стали.

Справедливости ради отметим, что если применяется обратноходовая схема питания, то трансформатор по сути является сдвоенным дросселем, поскольку процессы накопления и отдачи электроэнергии во вторичную цепь разделены во времени, то есть они протекают не одновременно, поэтому при обратноходовой схеме управления это все же дроссель, а не трансформатор.

Импульсные схемы с трансформаторами и дросселями на феррите встречаются сегодня всюду, начиная от балластов энергосберегающих ламп и зарядных устройств различных гаджетов, заканчивая сварочными аппаратами и мощными инверторами.

Импульсный трансформатор тока

Для измерения величины и (или) направления тока в импульсных схемах часто применяют импульсные трансформаторы тока, представляющие собой ферритовый сердечник, зачастую — кольцевой (тороидальный), с единственной обмоткой. Через кольцо сердечника продевают провод, ток в котором нужно исследовать, а саму обмотку нагружают на резистор.

Например, кольцо содержит 1000 витков провода, тогда соотношение токов первичной (продетый провод) и вторичной обмотки будет 1000 к 1. Если обмотка кольца нагружена на резистор известного номинала, то измеренное напряжение на нем будет пропорционально току обмотки, а значит измеряемый ток в 1000 раз больше тока через этот резистор.

Промышленностью выпускаются импульсные трансформаторы тока с различными коэффициентами трансформации. Разработчику остается только подключить к такому трансформатору резистор и схему измерения. Если требуется узнать направление тока, а не его величину, то обмотка трансформатора тока нагружается просто двумя встречными стабилитронами.

Связь между электрическими машинами и трансформаторами

В курсы электрических машин, изучаемые на всех электротехнических специальностях учебных заведений, включают всегда и электрические трансформаторы. По существу, электрический трансформатор — не электрическая машина, а электрический аппарат, так как он не имеет движущихся частей, наличие которых является характерным признаком всякой машины как разновидности механизма. По этой причине упомянутые курсы следовало бы, во избежание недоразумений, называть «курсами электрических машин и электрических трансформаторов».

Включение трансформаторов во все курсы электрических машин объясняется двумя причинами. Одна из них — исторического происхождения: те же заводы, которые строили электрические машины переменного тока, строили и трансформаторы, так как лишь наличие трансформаторов давало то преимущество машинам переменного тока над машинами постоянного тока, которое в конечном счете привело к их преобладанию в промышленности. И сейчас нельзя представить себе крупной установки переменного электрического тока без трансформаторов.

Однако, по мере развития производства машин переменного тока и трансформаторов, сделалось необходимым сосредоточение производства трансформаторов на специальных трансформаторостроительных заводах. Дело в том, что, в связи с возможностью передачи электроэнергии переменного тока при помощи трансформаторов на большие расстояния, рост высшего напряжения трансформаторов шел значительно быстрее, чем рост напряжения электрических машин переменного тока.

На нынешней стадии развития электрических машин переменного тока наивысшим рациональным напряжением для них является 36 кВ. В то же время высшее напряжение в реально осуществленных электрических трансформаторах достигло 1150 кВ. Столь высокие напряжения трансформаторов и работа их на воздушные линии электропередачи, подверженные воздействию грозовых разрядов, породили много специфических трансформаторных проблем, чуждых электрическим машинам.

Это привело при производстве к технологическим проблемам, столь отличающимся от технологических проблем электромашиностроения, что выделение трансформаторов в самостоятельное производство стало неизбежным. Таким образом, первая причина — производственная связь, роднившая трансформаторы с электрическими машинами, исчезла.

Вторая причина — принципиального характера, состоящая в том, что в основе применяемых на практике электрических трансформаторов, так же как и электрических машин, лежит принцип электромагнитной индукции (закон Фарадея), — остается незыблемой связью между ними. При этом, для понимания многих явлений в машинах переменного тока, знание физических процессов, протекающих в трансформаторах, совершенно необходимо и, кроме того, теория большого класса машин переменного тока может быть сведена к теории трансформаторов, благодаря чему облегчается их теоретическое рассмотрение.

В силу этого, в теории машин переменного тока теория трансформаторов занимает прочное место, из чего, однако, не следует, что трансформаторы можно называть электрическими машинами. Кроме того, нужно иметь в виду, что у трансформаторов целевая установка и процесс преобразования энергии другие, чем у электрических машин.

Цель электрической машины состоит в том, чтобы преобразовать механическую энергию в электрическую энергию (генератор) или, обратно, электрическую энергию в механическую энергию (двигатель), между тем, в трансформаторе мы имеем дело с преобразованием электрической энергии переменного тока одного вида в электрическую энергию переменного тока другого вида.

Источник