Что такое трансформатор устройство трансформатора. Электрические трансформаторы. Потери энергии в трансформаторе

Продолжаем знакомство с электронными компонентами и в этой статье рассмотрим устройство и принцип работы трансформатора .

Трансформаторы нашли широкое применение в радио и электротехнике и применяются для передачи и распределения электрической энергии в сетях энергосистем, для питания схем радиоаппаратуры, в преобразовательных устройствах, качестве сварочных трансформаторов и т.п.

Трансформатор предназначен для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины.

В большинстве случаев трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода (сердечника) с расположенными на нем двумя (обмотками) электрически не связанных между собой. Магнитопровод изготавливают из ферромагнитного материала, а обмотки мотают медным изолированным проводом и размещают на магнитопроводе.

Одна обмотка подключается к источнику переменного тока и называется первичной (I), с другой обмотки снимается напряжение для питания нагрузки и обмотка называется вторичной (II). Схематичное устройство простого трансформатора с двумя обмотками показано на рисунке ниже.

1. Принцип работы трансформатора.

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции .

Если на первичную обмотку подать переменное напряжение U1 , то по виткам обмотки потечет переменный ток Io , который вокруг обмотки и в магнитопроводе создаст переменное магнитное поле . Магнитное поле образует магнитный поток Фo , который проходя по магнитопроводу пересекает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует (наводит) в них переменные ЭДС – е1 и е2 . И если к выводам вторичной обмотки подключить вольтметр, то он покажет наличие выходного напряжения U2 , которое будет приблизительно равно наведенной ЭДС е2 .

При подключении к вторичной обмотке нагрузки, например, лампы накаливания, в первичной обмотке возникает ток I1 , образующий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф1 изменяющийся с той же частотой, что и ток I1 . Под воздействием переменного магнитного потока в цепи вторичной обмотки возникает ток I2 , создающий в свою очередь противодействующий согласно закону Ленца магнитный поток Ф2 , стремящийся размагнитить порождающий его магнитный поток.

В результате размагничивающего действия потока Ф2 в магнитопроводе устанавливается магнитный поток Фo равный разности потоков Ф1 и Ф2 и являющийся частью потока Ф1 , т.е.

Результирующий магнитный поток Фo обеспечивает передачу магнитной энергии из первичной обмотки во вторичную и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу е2 , под воздействием которой во вторичной цепи течет ток I2 . Именно благодаря наличию магнитного потока Фo и существует ток I2 , который будет тем больше, чем больше Фo . Но и в то же время чем больше ток I2 , тем больше противодействующий поток Ф2 и, следовательно, меньше Фo .

Из сказанного следует, что при определенных значениях магнитного потока Ф1 и сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки устанавливаются соответствующие значения ЭДС е2 , тока I2 и потока Ф2 , обеспечивающие равновесие магнитных потоков в магнитопроводе, выражаемое формулой приведенной выше.

Таким образом, разность потоков Ф1 и Ф2 не может быть равна нулю, так как в этом случае отсутствовал бы основной поток Фo , а без него не мог бы существовать поток Ф2 и ток I2 . Следовательно, магнитный поток Ф1 , создаваемый первичным током I1 , всегда больше магнитного потока Ф2 , создаваемого вторичным током I2 .

Величина магнитного потока зависит от создающего его тока и от числа витков обмотки, по которой он проходит.

Напряжение вторичной обмотки зависит от соотношения чисел витков в обмотках . При одинаковом числе витков напряжение на вторичной обмотке будет приблизительно равно напряжению, подаваемому на первичную обмотку, и такой трансформатор называют разделительным .

Если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подаваемого на первичную обмотку, и такой трансформатор называют повышающим .

Если же вторичная обмотка содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее будет меньше, чем напряжение подаваемое на первичную обмотку, и такой трансформатор называют понижающим .

Следовательно. Путем подбора числа витков обмоток, при заданном входном напряжении U1 получают желаемое выходное напряжение U2 . Для этого пользуются специальными методиками по расчету параметров трансформаторов, с помощью которых производится расчет обмоток, выбирается сечение проводов, определяются числа витков, а также толщина и тип магнитопровода.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока . Если его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то в магнитопроводе образуется магнитный поток постоянный во времени, по величине и направлению. В этом случае в первичной и вторичной обмотках не будет индуцироваться переменное напряжение, а следовательно, не будет передаваться электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Однако если в первичной обмотке трансформатора будет течь пульсирующий ток, то во вторичной обмотке будет индуцироваться переменное напряжение частота которого будет равна частоте пульсации тока в первичной обмотке.

2. Устройство трансформатора.

2.1. Магнитопровод. Магнитные материалы.

Назначение магнитопровода заключается в создании для магнитного потока замкнутого пути, обладающего минимальным магнитным сопротивлением. Поэтому магнитопроводы для трансформаторов изготавливают из материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях. Материалы должны иметь малые потери на вихревые токи, чтобы не перегревать магнитопровод при достаточно больших значениях магнитной индукции, быть достаточно дешевыми и не требовать сложной механической и термической обработки.

Магнитные материалы , используемые для изготовления магнитопроводов, выпускаются в виде отдельных листов, либо в виде длинных лент определенной толщины и ширины и называются электротехническими сталями .
Листовые стали (ГОСТ 802-58) изготавливаются методом горячей и холодной прокатки, ленточные текстурованные стали (ГОСТ 9925-61) только методом холодной прокатки.

Также применяют железноникелевые сплавы с высокой магнитной проницаемостью, например, пермаллой, перминдюр и др. (ГОСТ 10160-62), и низкочастотные магнитомягкие ферриты.

Для изготовления разнообразных относительно недорогих трансформаторов широко применяются электротехнические стали , имеющие небольшую стоимость и позволяющие трансформатору работать как при постоянном подмагничивании магнитопровода, так и без него. Наибольшее применение нашли холоднокатаные стали, имеющие лучшие характеристики по сравнению со сталями горячей прокатки.

Сплавы с высокой магнитной проницаемостью применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, предназначенных для работы при повышенных и высоких частотах 50 – 100 кГц.

Недостатком таких сплавов является их высокая стоимость. Так, например, стоимость пермаллоя в 10 – 20 раз выше стоимости электротехнической стали, а пермендюра – в 150 раз. Однако в ряде случаев их применение позволяет существенно снизить массу, объем и даже общую стоимость трансформатора.

Другим их недостатком является сильное влияние на магнитную проницаемость постоянного подмагничивания, переменных магнитных полей, а также низкая стойкость к механическим воздействиям – удар, давление и т.п.

Из магнитомягких низкочастотных ферритов с высокой начальной проницаемостью изготавливают прессованные магнитопроводы , которые применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, работающих на высоких частотах от 50 – 100 кГц. Достоинством ферритов является невысокая стоимость, а недостатком является низкая индукция насыщения (0,4 – 0,5 Т) и сильная температурная и амплитудная нестабильность магнитной проницаемости. Поэтому их применяют лишь при слабых полях.

Выбор магнитных материалов производится исходя из электромагнитных характеристик с учетом условий работы и назначения трансформатора.

2.2. Типы магнитопроводов.

Магнитопроводы трансформаторов разделяются на шихтованные (штампованные) и ленточные (витые), изготавливаемые из листовых материалов и прессованные из ферритов.

Шихтованные магнитопроводы набираются из плоских штампованных пластин соответствующей формы. Причем пластины могут быть изготовлены практически из любых, даже очень хрупких материалов, что является достоинством этих магнитопроводов.

Ленточные магнитопроводы изготавливаются из тонкой ленты, намотанной в виде спирали, витки которой прочно соединены между собой. Достоинством ленточных магнитопроводов является полное использование свойств магнитных материалов, что позволяет уменьшить массу, размеры и стоимость трансформатора.

В зависимости от типа магнитопровода трансформаторы подразделяются на стрежневые , броневые и тороидальные . При этом каждый из этих типов может быть и стрежневым и ленточным.

Стержневые .

В магнитопроводах стержневого типа обмотки располагается на двух стержнях (стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки). Это усложняет конструкцию трансформатора, но уменьшает толщину намотки, что способствует снижению индуктивности рассеяния, расхода проволоки и увеличивает поверхность охлаждения.

Стержневые магнитопроводы используют в выходных трансформаторах с малым уровнем помех, так как они малочувствительны к воздействию внешних магнитных полей низкой частоты. Это объясняется тем, что под влиянием внешнего магнитного поля в обеих катушках индуцируются напряжения, противоположные по фазе, которые при равенстве витков обмоток компенсируют друг друга. Как правило, стержневыми выполняются трансформаторы большой и средней мощности.

Броневые .

В магнитопроводе броневого типа обмотка располагается на центральном стержне. Это упрощает конструкцию трансформатора, позволяет получить более полное использование окна обмоткой, а также создает некоторую механическую защиту обмотки. Поэтому такие магнитопроводы получили наибольшее применение.

Некоторым недостатком броневых магнитопроводов является их повышенная чувствительность к воздействию магнитных полей низкой частоты, что делает их малопригодными к использованию в качестве выходных трансформаторов с малым уровнем помех. Чаще всего броневыми выполняются трансформаторы средней мощности и микротрансформаторы.

Тороидальные .

Тороидальные или кольцевые трансформаторы позволяют полнее использовать магнитные свойства материала, имеют малые потоки рассеивания и создают очень слабое внешнее магнитное поле, что особенно важно в высокочастотных и импульсных трансформаторах. Но из-за сложности изготовления обмоток не получили широкого применения. Чаще всего их делают из феррита.

Для уменьшения потерь на вихревые токи шихтованные магнитопроводы набираются из штампованных пластин толщиной 0,35 – 0,5 мм, которые с одной стороны покрывают слоем лака толщиной 0,01 мм или оксидной пленкой.

Лента для ленточных магнитопроводов имеет толщину от нескольких сотых до 0,35 мм и также покрывается электроизолирующей и одновременно склеивающейся суспензией или оксидной пленкой. И чем тоньше слой изоляции, тем плотнее происходит заполнение сечения магнитопровода магнитным материалом, тем меньше габаритные размеры трансформатора.

За последнее время наряду с рассмотренными «традиционными» типами магнитопроводов находят применение новые формы, к числу которых следует отнести магнитопроводы «кабельного» типа, «обращенный тор», катушечный и др.

На этом пока закончим. Продолжим во .
Удачи!

Литература:

1. В. А. Волгов – «Детали и узлы радио-электронной аппаратуры», Энергия, Москва 1977 г.
2. В. Н. Ванин – «Трансформаторы тока», Издательство «Энергия» Москва 1966 Ленинград.
3. И. И. Белопольский – «Расчет трансформаторов и дросселей малой моности», М-Л, Госэнергоиздат, 1963 г.
4. Г. Н. Петров – «Трансформаторы. Том 1. Основы теории», Государственное Энергетическое Издательство, Москва 1934 Ленинград.
5. В. Г. Борисов, – «Юный радиолюбитель», Москва, «Радио и связь» 1992 г.

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 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 , 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 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.

Трансформатор сетевой

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 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.

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 ). 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.

Типичный импульсный трансформатор представляет собой трансформатор выполненный на ферритовом сердечнике. Форма сердечника (магнитопровода) может быть совершенно различной: кольцо, стержень, чашка, Ш-образный, П-образный. Преимущество ферритов перед трансформаторной сталью очевидно - трансформаторы на феррите могут работать на частотах до 500 и более кГц.

Поскольку импульсный трансформатор является высокочастотным трансформатором, то и габариты его с ростом частоты значительно снижаются. На обмотки требуется меньше провода, а для получения высокочастотного тока в первичной цепи достаточно полевого, или биполярного транзистора, иногда - нескольких, в зависимости от топологии импульсной схемы питания (прямоходовая - 1, двухтактная - 2, полумостовая - 2, мостовая - 4).

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.

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 , - 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.

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 трансформаторы тока. 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 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.

Трансформаторы - это устройства предназначенные для преобразования электроэнергии. Их основная задача - изменение значения переменного напряжения. Трансформаторы используются как в виде самостоятельных приборов, так и в качестве составных элементов других электротехнических устройств.

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

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

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

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

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

Эта величина называется коэффициентом трансформации: Ктр=W 1 /W 2 =U 1 /U 2 , где:

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

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

ВИДЫ И ТИПЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

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

Автотрансформаторы.

Они имеют одну обмотку с несколькими отводами. За счет переключения между этими отводами можно получить разные показатели напряжения. К недостаткам следует отнести отсутствие гальванической развязки между входом и выходом.

Импульсные трансформаторы.

Предназначены для преобразования импульсного сигнала незначительной продолжительности (около десятка микросекунд). При этом форма импульса искажается минимально. Обычно используется в цепях обработки видеосигнала.

Разделительный трансформатор.

Конструкция этого устройства предусматривает полное отсутствие электрической связи между первичной и вторичными обмотками, то есть обеспечивает гальваническую развязку между входными и выходными цепями. Используется для повышения электробезопасности и, как правило, имеет коэффициент трансформации равный единице.

Пик-трансформатор.

Используется для управления полупроводниковыми электрическими устройствами типа тиристоров. Преобразует синусоидальное напряжение переменного тока в пикообразные импульсы.

Стоит выделить способ классификации трансформаторов по способу их охлаждения.

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

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

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

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

К основным техническим характеристиками трансформаторов можно отнести:

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

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

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

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

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

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

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

В зависимости от назначения трансформаторы делят на:

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

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

Тока.

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

В зависимости от выполняемых функций различают следующие виды:

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

Напряжения.

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

Все представленные на этом сайте материалы имеют исключительно информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Среди современных устройств электротехники одним из самых распространенных является трансформатор. Этот агрегат широко используется как в бытовых приборах, так и силовой электронике. Его действие заключается в преобразовании тока. Причем изменять его величину трансформатор может как в большую, так и меньшую сторону.

Определенным устройством обладает разнообразны. Они имеют некоторые конструкционные и функциональные отличия. Чтобы понять, что собой представляет подобное оборудование, а также особенности его эксплуатации, каждый вид следует рассмотреть подробно.

Устройство

Существующие сегодня виды трансформаторов тока обладают определенными общими характеристиками. Прибор имеет в своей системе одну, две и больше обмоток. Они расположены на один сердечник. Представленные сегодня в продаже трансформаторы отличаются способом изготовления. Их надежность зависит от производителя. Рабочие характеристики таких видов оборудования также схожи.

Трансформатор не предназначен для преобразования постоянного тока. В противном случае это приведет к перегреву проводника. Трансформаторы способны работать исключительно с переменным, импульсным и пульсирующим током.

Все разновидности представленного оборудования имеют в своем составе три обязательных компонента. К ним относится магнитопровод, охлаждающая система и обмотка. Первый компонент еще называют сердечником.

Принцип работы

Рассматривая назначение и виды трансформаторов , следует сказать несколько слов об их функциональных качествах. В таком оборудовании присутствует первичная и вторичная обмотка. К первой катушке подводится первоначальное напряжение. Его требуется повысить или понизить.

Вторичные обмотки могут состоять из одной или нескольких катушек. С них передается трансформированное напряжение. В основу работы такого прибора положен закон Фарадея. Магнитный поток, который изменяется во времени через ограниченную контуром площадку, формирует электродвижущие силы. Помимо этого, ток, который изменяется во времени, может индуцировать непостоянное магнитное поле.

На схемах трансформатор изображают как две (или более) катушки. Между первой и вторичными обмотками проходит вертикальная линия. Она изображает сердечник (магнитопровод). При выполнении возложенных на него функций трансформатор обладает малыми потерями энергии. Это сделало представленное оборудование востребованным.

Рабочие режимы

Существующие виды работы трансформатора можно выделить в 3 группы. К ним относится холостой ход, короткое замыкание и рабочий режим. В первом случае выводы вторичной обмотки никуда не подключаются. В этом режиме, если сердечник изготовлен из мягкого магнитного материала, ток покажет потери.

При коротком замыкании выводы катушек вторичной обмотки соединяются между собой. При этом на первичную обмотку будет подаваться незначительное напряжение. Этот режим присутствует в измерительных разновидностях трансформаторов.

При активной нагрузке возникают напряжения на концах всех типов обмотки. Если на вторичной обмотке это значение выше, трансформатор называется повышающим. И наоборот. Степень трансформации определяется при помощи заданного коэффициента.

Классификация

Существует несколько подходов к классификации представленного оборудования. Это позволяет понять его устройство и функции. Существующие виды трансформаторов тока могут классифицироваться по назначению. В этом случае выделяются приборы напряжения, измерительные, лабораторные, защитные, промежуточные типы.

По способу установки также выделяют несколько групп. От этого зависят условия, в которых может эксплуатироваться техника. Трансформаторы могут быть внутренние и наружные, стационарные, шинные или опорные, а также переносные.

Ступеней в системе может быть одна или несколько. По признаку номинального напряжения различают высоковольтные и низковольтные приборы. Если учитывать тип изоляции, можно также выделить несколько групп трансформаторов. Этот показатель зависит от технологии производства. Бывают приборы с компаундной, сухой и масляно-бумажной изоляцией.

Согласно со сферой применения, выделяют силовые, бытовые, сварочные, масляные, автотрансформаторы и т. д.

Силовой трансформатор

Существующие виды силовых трансформаторов относятся к низкочастотным приборам. Их применяют в силовых сетях предприятий, городов, поселков и т. д. Такое оборудование понижает напряжение в сети до требуемого значения 220 В.

Силовые трансформаторы могут иметь от двух и более обмоток. Они устанавливаются на броневом сердечнике. Чаще всего подобный конструкционный элемент изготавливают из электротехнической стали. Такой трансформатор помещается в бак со специальным маслом. Если мощность оборудования высокая, в ней применяется активное охлаждение.

Для электростанций применяются силовые трехфазные трансформаторы. Их мощность составляет до 4 тыс. кВт. Такие разновидности приборов позволяют добиться уменьшения на 15 % энергопотерь по сравнению с тремя однофазными трансформаторами.

Сетевые разновидности

В 80-е года прошлого века самым распространенным был сетевой трансформатор. Виды трансформаторов этого типа дорабатывались. Сегодня их изготавливают на Ш-подобном сердечнике, а также стержневых или тороидальных магнитопроводах. На них и устанавливаются обмотки.

При помощи подобного устройства напряжение, которое поступает из бытовой сети, понижается до требуемого значения (например, 12, 24 В). Самыми компактными считаются трансформаторы с тороидальным сердечником. Его магнитопровод полностью покрывается обмотками. При этом удается избежать появления пустого ярма.

Автотрансформатор

Существующие виды обмоток трансформатора очень разнообразны. Они могут быть регулирующими, основными, вспомогательными. Наиболее оригинальное строение имеет обмотка автотрансформатора. Это низкочастотный прибор. Его вторичная обмотка является составной частью первичной. Они связаны, как и в других видах трансформаторов, магнитно. Однако подобная обмотка сообщается также и электрически.

От одной катушки отходит несколько выводов, позволяя получить напряжение разного значения. Преимуществом такой конструкции является ее низкая стоимость. Провода для монтажа обмотки потребуется меньше. Также получается сэкономить на количестве материала сердечника. Вес автотрансформатора будет меньше, чем у других типов оборудования.

Однако в этом типе приборов отсутствует гальваническая развязка. Это недостаток автотрансформаторов. Такое оборудование применяется в автоматической технике управления, а также на высоковольтных коммуникациях. Сегодня большой популярностью пользуются трехфазные автотрансформаторы. Их соединенная обмотка образует треугольник или звезду.

Трансформатор тока и напряжения

Сегодня также выделяются определенные виды трансформаторов напряжения и тока. Все зависит о того, как функционирует прибор. Если он понижает ток, это, соответственно, трансформатор тока. Для регулировки напряжения также разработана определенная категория приборов.

Первичная обмотка трансформатора тока подключается к электричеству, а вторичная - к измерительным или защитным приборам. Чаще всего применяется первый тип устройств. Катушку с первичной обмоткой подключают в цепь последовательно. В ней измеряется переменный ток.

Сердечник такого оборудования изготавливают из шихтованной электротехнической стали. Ее производят холоднокатаным способом. Первичная обмотка чаще всего представляет собой шину. При работе подобного оборудования важно учитывать коэффициент трансформации.

Для промышленности могут выпускаться подобные приборы с несколькими группами вторичных обмоток. Одну из них соединяют с измерительными приборами (например, счетчикам), а вторую - к защитному оборудованию.

Импульсный трансформатор

Рассматривая, какие виды трансформаторов применяются сегодня, нельзя не сказать несколько слов об импульсных разновидностях представленных приборов. Они практически полностью вытеснили низкочастотные тяжелые трансформаторы. Их сердечник выполняется не из шихтовой стали, а из феррита. Форма магнитопровода может быть самой разной, например, чашка, кольцо, Ш-подобный тип.

Трансформаторы импульсного типа могут функционировать на высоких частотах (500 кГц и более). Благодаря такой особенности габариты подобных изделий значительно уменьшились. Требуется использовать меньше провода для обмотки.

Импульсные трансформаторы и дроссели с ферритовым стержнем сегодня применяются всюду. Их можно встретить в энергосберегающих лампочках, зарядных устройствах, мощных инверторах и т. д. Сфера их применения очень широка.

В некоторых трансформаторах импульсного типа применяется обратная схема питания. В этом случае прибор по своей сути является дросселем сдвоенного типа. При этом процессы приема и передачи электроэнергии протекают не одновременно.

Импульсный трансформатор тока

Чтобы иметь возможность измерять направление и величину тока, для импульсных схем часто применяется особый трансформатор. Виды трансформаторов этой группы имеют ферритовый сердечник. Чаще всего он имеет единственную кольцевую обмотку. Через ее центр продевается провод. В нем и исследуется ток. Обмотку при этом нагружают на резистор.

Измерение производится по несложной схеме. Если нагрузка выполняется на резистор известного номинала, то напряжение при замере на нем будет пропорциональным показателю тока обмотки.

В продаже присутствуют трансформаторы этого типа с различными показателями коэффициента трансформации. Если нужно узнать только направленность тока, прибор нагружается только двумя стабилизаторами, встроенными в схему.

Система защиты

Трансформаторы представляют собой надежное оборудование. Однако из-за различных повреждений может произойти аварийная ситуация. Поэтому применяются различные виды защит трансформатора .

Подобные системы отключают оборудование от сети при наличии повреждений. В зависимости от типа конструкции защита может отсоединить питание только от поврежденной части прибора. При обнаружении поломки система может подавать сигнал. При этом используют различные типы защиты автотрансформаторов.

Дифференциальная защита необходима при нарушениях целостности обмоток, ошиновки и вводов оборудования. Если же повреждения обнаруживаются со стороны происходит токовое отсекание. Это защита мгновенного действия.

Газовая защита применяется при повреждениях внутри бака. При этом может выделяться газ. Также она срабатывает при понижении уровня масла.

Максимальная токовая или направленная защита позволяет уберечь оборудование от сверхтоков. Также в некоторых конструкциях может предусматриваться защита от замыкания на корпус и от перегрузки. Последняя система действует на сигнал, оповещая персонал.

Рассмотрев особенности конструкции и принцип работы, можно понять, что собой представляет трансформатор. Виды трансформаторов , существующие сегодня, отличаются по ряду признаков. Это влияет на их функциональность.