Принцип работы трансформатора основан на чем
Устройство и принцип работы трансформатора
Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. 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 катушками (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.
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.
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.
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 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 второй части.
Удачи!
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.
Все о трансформаторах – принцип работы, характеристики, свойство и применение
Что это за устройство
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.
Схематичный рисунок опорного трансформатора тока.
Это устройство, первичная обмотка которого последовательно включена в рабочую цепь, а вторичная служит для проведения измерений. Подобные устройства используются не только в лабораториях для оценки величин. Истинное место трансформаторов тока возле электростанций, где они помогают контролировать режимы, внося коррективы в процесс эксплуатации оборудования.
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.
Тем, кому будет интересно почитать, материал в тему: малоизвестные факты о двигателях постоянного тока.
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. Трансформаторы тока принято классифицировать по роду тока. Измеряемое напряжение различается по роду. Для проведения измерений в цепи постоянного тока используется нарезка сигнала на импульсы. Напрямую трансформация невозможна:
По назначению: мы уже сказали, что часто трансформаторы тока применяются для измерений (к примеру, кВт ч). Называют системы, где требуется защитить персонал для повышения безопасности.
Также достаточно широкой областью применения трансформаторов является обеспечение электропитания различного оборудования. Трансформаторы делят в зависимости от назначения. Выносные измерительные трансформаторы тока используются для обеспечения работоспособности цепей учета электроэнергии защиты энергетических линий и силовых автотрансформаторов. В зависимости от выполняемых функций различают следующие виды:
Они имеют различные размеры и эксплуатационные показатели. Могут размещаться в корпусах небольших приборов или являться отдельными, габаритными устройствами.
Принцип работы устройства
Принцип работы трансформатора основан на эффекте электромагнитной индукции. Классическая конструкция состоит из металлического магнитопровода и электрически не связанных обмоток, выполненных из изолированного провода. Та обмотка, на которую подается электроэнергия, называется первичной. Вторая — подсоединённая к устройствам, потребляющим ток, называется вторичной.
После того как трансформатор подсоединяют к источнику переменного тока в его первичная обмотка формирует переменный магнитный поток. По магнитопроводу он передается на витки вторичной обмотки, индуцируя в них переменную ЭДС (электродвижущую силу). При наличии устройства потребления в цепи вторичной обмотки возникает электрический ток.
Соотношение между входным и выходным напряжением трансформатора прямо пропорционально отношению количества витков соответствующих обмоток. Эта величина называется коэффициентом трансформации: Ктр=W1/W2=U1/U2, где:
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.
Микротрансформатор имеет обмотки из алюминиевой фольги толщиной не более 20—30 мкм. В качестве изолирующего материала выступает оксидная пленка, полученная естественным окислением фольги. Подробнее принцип работы трансформатора тока рассмотрен в видеоролике:
Вкратце принцип работы и устройство трансформатора тока заключается в подаче питания от источника электричества. Наиболее актуальным является использование для снижения первичных показателей тока до величины, применяемой в измерительных и защитных цепях, сигнализации и управления.
Во вторичной обмотке отмечаются показатели тока 5 А или 1 А. Измерительные устройства подключаются к вторичной обмотке, а к первичной подключается цепь, в которой измеряют ток. Для расчета тока во второй обмотке используют показания в первичной обмотке и делят на коэффициент трансформации.
Общая информация об устройстве
Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования тока переменной частоты с одним напряжением в переменный ток с иным напряжением, но с прежней частотой, основанный на явлении электромагнитной индукции.
Применяются приборы во всех сферах деятельности человека: электроэнергетике, радиотехнической, радиоэлектронной промышленности, бытовой сфере.
Конструкция
Устройство трансформатора предполагает наличие одной либо большего числа отдельных катушек (ленточных или проволочных), находящихся под единым магнитным потоком, накрученных на сердечник, изготовленный из ферромагнетика.
Важнейшие конструктивные части следующие:
В приборах чаще всего можно увидеть обмотку двух типов: первичную, получающую электроток от стороннего питающего источника, и вторичную, с которой напряжение снимается.
Сердечник обеспечивает улучшенный обратный контакт обмоток, обладает пониженным сопротивлением магнитному потоку.
Некоторые виды приборов, работающие на сверхвысокой и высокой частоте, производятся без сердечника.
Производство приборов налажено в трех базовых концепциях обмоток:
Устройство трансформаторов стержневых подразумевает накручивание обмотки на сердечник строго горизонтальное. В приборах броневого типа она заключена в магнитопроводе, размещается горизонтально либо вертикально.
Надежность, эксплуатационные особенности, устройство и принцип действия трансформатора принимаются без какого-либо влияния принципа его изготовления.
Функционирование системы
Принцип работы силового трансформатора основан на электродвижущей силе, которая движется по обмоткам. Данные устройства функционируют исключительно на переменном токе. Если его подключить к обмотке, будет создаваться магнитный поток. Он замыкается в магнитоприводе. В этот момент возникает электродвижущая сила во второй обмотке. Все катушки связаны в системе магнитной связью. Показатель ЭДС будет пропорционален количеству витков в обмотке.
Принцип действия понижающего или повышающего силового трансформатора включает в себя несколько режимов. Для каждого из них предусмотрены свои особенности.
В рабочем режиме к первичной обмотке подводится напряжение, а к вторичной – нагрузка. В таком положении установка способна длительное время обеспечивать подключенные к нему потребители электричеством. Рабочий режим может осуществляться при холостом ходе и опыте короткого замыкания.
Холостой ход наступает при размыкании вторичной обмотки. В этот период исключается протекание по ней тока. Этот режим позволяет определить КПД прибора, потери при намагничивании сердечника и коэффициент трансформации.
Опыт короткого замыкания происходит при коротком шунтировании выводов вторичной катушки. При этом сила тока на входе должна быть занижена на входе. На этом уровне создается вторичный ток без превышения. Представленную методику применяют для определения уровня потерь в меди.
Аварийный режим определяется при нарушениях в работе системы. Рабочие параметры отклоняются от допустимых значений. Наиболее опасным состоянием считается короткое замыкание внутри обмоток. При этом возможно возникновение пожара, причинение большого ущерба системе энергоснабжения. Чтобы предупредить возникновение аварии, применяются различные автоматические системы защиты, сигнализации и отключения оборудования.
Принцип работы
Принцип работы трансформатора базируется на эффекте взаимоиндукции. Поступление тока переменной частоты от стороннего поставщика электроэнергии на вводы первичной обмотки формирует в сердечнике магнитное поле с переменным потоком, проходящего через вторичную обмотку и индуцирующее образование электродвижущей силы в ней. Закорачивание на приемнике электроэнергии вторичной обмотки обуславливает прохождение сквозь приемник электротока из-за влияния электродвижущей силы, вместе с тем в первичной обмотке образуется ток нагрузки.
Назначение трансформатора — перемещение преобразованной электрической энергии (без перемены ее частоты) к вторичной обмотке из первичной с подходящим для функционирования потребителей напряжением.
Классификация установок
Деление оборудования на классы зависит от различных параметров.
Оно может осуществляться по:
Исходя из особенностей использования приборы бывают:
Причем первые подразделяются на трансформаторы тока и напряжения.
Смотрим видео, принцип работы и виды трансформаторов:
Что касается установки, то такое оборудование может быть расположено не только в закрытых помещениях, но и на улице. Поэтому исходя из этого параметра различают приборы следующих типов:
Изоляция обмоток у трансформаторов может быть, как сухой, так и бумажно-масляной или компаундной. Имеются отличия и в числе ступеней. В зависимости от этого параметра устройства делятся на:
Еще одной отличительной чертой различных моделей может быть номинальное напряжение. Согласно его значению, трансформаторы классифицируются на низко- и высоковольтные.
Кроме того, силовые устройства могут подключаться к одно или трехфазным электросетям.
Высоковольтные трансформаторы чаще всего имеют масляное охлаждение. Приборы этой серии отличаются высоким КПД и хорошими показателями защиты от перегрева. Они требуют минимального обслуживания в процессе эксплуатации.
По конструктивному исполнению силовые трансформаторы делятся на имеющие следующие типы вводов:
Характеристики и расчет трансформатора
Обычно основные параметры прибора указываются в технической документации, входящей в его комплектацию. Для трансформаторов таковыми являются:
Рассмотрим более подробно, что они обозначают. Номинальная мощность устройства рассчитывается и указывается производителем. Она выражается в киловольт-амперах.
Номинальное напряжение состоит из первичного, на которое рассчитана соответствующая обмотка и вторичного, измеряемого на зажимах. Величина этого параметра может изменяться до 5% в сторону уменьшения или увеличения. Определить ее можно выполнив упрощенный расчет силового трансформатора.
Смотрим видео, делаем правильный расчет:
Номинальные мощность и ток прибора должны соответствовать существующим ГОСТам. Сегодня выпускаются сухие модели, у которых этот показатель может иметь следующее значение:
Мощность прибора обычно указывается в паспорте прибора, а зная ее можно вычислить номинальное значение тока. Для этого используется следующая формула:
I=S√3U, где величины S и U обозначают номинальную мощность и напряжение.
Исходя из того для какой из обмоток рассчитывается значение тока будут изменяться и входящие в формулу величины. Расчет мощности силового трансформатора по нагрузке лучше доверить специалистам. Это позволит избежать неприятных моментов в процессе эксплуатации.
Кроме этого номинальными напряжениями считают значение линейной величины при холостом ходе на обеих обмотках. Значения токов рассчитываются по мощности прибора. Выбирая оборудование следует учитывать, что расчет силового тороидального трансформатора будет несколько отличаться от приведенного выше. Найти информацию по этому вопросу можно в сети.
Особенности монтажа и эксплуатации
Большинство моделей силового оборудования имеют значительный вес. Поэтому на место установки они доставляются специальным транспортом. Причем поставка оборудования осуществляется в собранном виде и полностью готовым к включению.
Смотрим видео, запуск и диагностика оборудования:
Монтаж прибора осуществляется на заранее подготовленный фундамент или в специальное помещение. Чтобы при установке устройства не образовывались воздушные мешки под крышкой бака со стороны расширите под катки укладывают стальные пластинки. Их толщина должна быть такой, чтобы получился подъем в 1% по узкой и 1,5% по широкой стороне трансформатора. Длина прокладок начинает от 150 мм. Если вес прибора не превышает 2 тонн, то он устанавливается непосредственно на фундамент. Его корпус при этом обязательно присоединяется к сети заземления.
Однако, следует помнить, что перед установкой прибор проходит испытания в лабораторных условиях. В процессе проведения этих работ производят измерение коэффициента трансформации, проверку качественного выполнения соединений. А также испытывают устройство повышенным напряжением изоляции, проверяют соответствие трансформаторного масла.
После доставки на объект прибор подвергается внешнему осмотру. При этом обращают внимание на отсутствие протечки масла, посторонних шумов в процессе работы. Проверяется состояние проходных изоляторов и контактных соединений на предмет из нагрева.
После запуска трансформатора необходимо периодически осуществлять контроль температуры. Измерения выполняют при помощи стеклянных термометров. Они погружаются в специальную гильзу, расположенную на крышке прибора. Температура здесь не должна превышать 95°C.
Чтобы избежать аварийных ситуаций в работе трансформатора необходимо регулярно замерять нагрузки. Это позволит определить перекосы по фазам, ведущие к искажению напряжений. Осмотр оборудования без его отключения должен выполняться каждый полгода. Но в зависимости от состояния прибора сроки могут изменяться.
Отличие трансформатора тока от трансформатора напряжения
Одним из некоторых отличий является способ создания изоляции между двумя обмотками. Первичную обмотку в трансформаторах тока изолируют соответственно параметрам принимаемого напряжения. Вторичная обмотка имеет заземление.
Трансформаторы тока работают в условиях, подобных к случаю короткого замыкания, так как у них небольшое сопротивление вторичной обмотки. В этом и заключается назначение трансформаторов, измеряющих ток, а также отличие от трансформатора напряжения по условиям работы.
Для трансформатора напряжения при коротком замыкании его работа опасна из-за риска возникновения аварии. Для трансформатора тока такой режим работы вполне приемлемый и безопасный. Хотя бывают у таких трансформаторов также угрозы аварии, но для этого устанавливают свои системы и средства защиты.
Классификации
Трансформаторы классифицируются по ряду параметров, таким как:
Помимо этого, преобразовательные устройства разнятся типами, каждому из которых присуща своя система классификации.
Силовой
Силовой трансформатор
Измерительные
Трансформаторы тока (ТА) понижают ток до необходимых показателей. Схема их работы отличается последовательным включением первичной обмотки и нагрузки. В то же время вторичная обмотка, находящаяся в состоянии, близком к короткому замыканию, используется для подключения измерительных приборов, исполнительных и индикаторных устройств. С помощью ТА осуществляется гальваническая развязка, что позволяет при измерениях отказаться от шунтов.
Высоковольтный ТТ(слева) и низковольтный ТТ(справа)
Высоковольтный ТН(слева) и низковольтный ТН(справа)
Можно первичную обмотку подключить последовательно в электрическую цепь с другими устройствами и получить гальваническую развязку. Такие приборы получили названия трансформаторов тока. Первичную цепь таких устройств контролируют путём изменения однофазной нагрузки, а вторичную катушку используют в цепях измерительных приборов или сигнализации. Второе название приборов – измерительные трансформаторы.
Особенностью работы измерительных трансформаторов является особый режим выходной обмотки. Она функционирует в критическом режиме короткого замыкания. При разрыве вторичной цепи возникает резкое повышение напряжения в ней, что может вызвать пробои или повреждение изоляции.
Трансформатор тока
Напряжения
Типичное применение – изоляция логических цепей защиты измерительных приборов от высокого напряжения. Трансформатор напряжения – это понижающий прибор, преобразующий высокое напряжение в более низкое.
Импульсный
При необходимости преобразования сигналов импульсного характера применяются импульсные трансформаторы (ИТ). Изменяя амплитуду и полярность импульсов, устройства сохраняют их длительность и практически не затрагивают форму.
Автотрансформатор
В автотрансформаторах обмотки составляют одну цепь и взаимодействуют посредством электромагнитной и электрической связи. В отличие от других типов преобразователей, устройства могут содержать всего 3 вывода, позволяющих оперировать с различными напряжениями. Приборы выделяются высоким коэффициентом полезного действия, что особо сказывается при незначительном перепаде входного и выходного напряжения.
Однофазный(слева) и трёхфазный(справа)
Не имея гальванической развязки, представители данного типа повышают риск высоковольтного удара по нагрузке. Обязательным условием работы устройств являются надёжное заземление и низкий коэффициент трансформации. Недостаток компенсируется меньшим расходом материалов при изготовлении, компактностью и весом, стоимостью.
Разделительный
Для разделительных трансформаторов взаимодействие между обмотками исключено. Устройства повышают безопасность электрооборудования при повреждённой изоляции.
Разделительный трансформатор
Согласующий
Согласующие трансформаторы применяются для выравнивания сопротивлений между каскадами схем электроники. Сохраняя форму сигнала, они играют роль гальванической развязки.
Пик-трансформатор
С помощью пик-трансформатора синусоидальное напряжение преобразуется в импульсное. При этом импульсы меняют полярность с каждым полупериодом.
Сдвоенный дроссель
Особенностью сдвоенного дросселя является идентичность обмоток. Взаимная индукция катушек делает его более эффективным, по отношению стандартным дросселям. Устройства используются как входные фильтры в блоках питания, в звуко- и цифровой технике.
Сдвоенный дроссель
Вращающиеся
Применяются для обмена сигналами с вращающимися барабанами. Конструктивно состоят из двух половинок магнитопровода с катушками. Эти части вращаются относительно друг друга. Обмен сигналами происходит при больших скоростях вращения.
Сварочный
Помимо вышеперечисленных, существует понятие сварочные трансформаторы. Специализированные приборы для сварочных работ понижают напряжение бытовой сети при одновременном повышении тока, измеряемого тысячами ампер. Регулировка последнего осуществляется разделением обмоток на сектора, что отражается на индуктивном сопротивлении.
Сварочный трансформатор
Обозначение на схемах
Трансформаторы наглядно изображаются на электрических схемах. Символически изображаются обмотки, которые разделены магнитопроводом в виде жирной или тонкой линии (см. рис. 9).
Пример обозначения
На схемах трехфазных трансформаторов обмотки начинаются со стороны сердечника.
Области применения
Кроме преобразования напряжений в электрических сетях, трансформаторы часто применяются в блоках питания радиоэлектронных устройств. Преимущественно это автотрансформаторы, которые одновременно выдают несколько напряжений для различных узлов.
Сегодня все чаще используют бестрансформаторные блоки питания. Однако там где требуется питание мощным переменным током, без электромагнитных устройств не обойтись.
Как работает трансформатор
Трансформатор работает за счет взаимоиндукции. Для начала разберем, что такое индукция.
Что такое индукция
Если по проводу пустить электрический ток, то возникнет магнитное поле.
Магнитное поле — неотъемлемая часть электрического. И в магнитном поле сохраняется энергия электрического.
У постоянных магнитов наличие магнитного поля объясняется направлением «доменов в одну сторону». Т.е. у каждого отдельно взятого атома есть свое маленькое магнитное поле. У постоянных магнитов эти маленькие магнитные поля направлены в одну сторону. Поэтому у постоянного магнита такое сильное магнитное поле.
И другие материалы можно намагнитить, т.е. сделать так, чтобы магнитные поля были направлены в одну сторону. Так получится «искусственно созданный» магнит.
Кстати, среди ремонтников очень популярен магнит, который намагничивает и размагничивает отвертки. Таким отвертками удобно пользоваться, поскольку маленькие болтики и винтики останутся на отвертке и не упадут в случае неосторожного движения.
А индуктивность — это способность материала накапливать магнитное поле, когда по этому материалу течет электрический ток.
Чем больше материал может создать магнитное поле, тем выше его индуктивность.
Магнитное поле можно увеличить, если сделать катушку.
Достаточно взять проволоку, намотать ее на каркас. И магнитные поля витков будут складываться.
Это и есть катушка индуктивности.
Провод в катушке индуктивности должен быть изолирован. Потому, что если хотя бы один виток будет в коротком замыкании с другим, то магнитное поле будет неравномерным. Будет межвитковое замыкание, из-за которого магнитное поле потеряет свою равномерность.
Если мы подаем на катушку постоянный ток, то и магнитное поле будет постоянным. Оно не будет меняться. А что если отключить катушку от источника? Тогда наступит явление самоиндукции. Так как ток уменьшается, то магнитное поле больше нечем поддерживать. И вся так энергия, которая была в магнитном поле, переходит в электрическую.
Изменение магнитного поля создает электрическое поле.
Увеличение индуктивности сердечником
А как увеличить индуктивность? Только с помощью количества витков и диаметром провода? На индуктивность еще влияет окружающая среда. Воздух — не самый лучший материал для накопления или передачи магнитного поля. У него низкая магнитная проницаемость. Тем более, при изменении плотности и температуры воздуха, это значение меняется. Поэтому, для увеличения индуктивности используют ферромагнетики. К ним относят железо, никель, кобальт и др.
Если сделать сердечник в центре катушки из таких материалов, то можно многократно повысить индуктивность катушки.
Из ферромагнетиков делают сердечники (магнитопроводы). В основном используют электротехническую сталь, которую специально делают для этих целей.
Кстати, теперь намного проще регулировать индуктивность с сердечником. Достаточно плавно передвигать сердечник внутри катушки, и индуктивность будет плавно меняться. Это удобнее, чем двигать витки друг от друга.
Взаимоиндукция и принцип передачи тока
Раз можно накопить энергию в катушке за счет магнитного поля, то можно передать эту энергию в другую катушку.
Допустим, есть две одинаковые катушки индуктивности. Одна подключена к питанию, другая нет.
При подключении питания, у первой катушки возникнет магнитное поле. И если приблизить вторую катушку к первой, у второй катушки индуцируется ЭДС за счет магнитного поля первой. 
Но ЭДС второй катушки будет не долгим явлением. Если на первую катушку подается постоянное напряжение, то и магнитное поле будет постоянным.
А электрический ток возникает только при переменном магнитное поле. Поэтому, ток во второй катушке сразу исчезнет, как только стабилизируется магнитное поле.
Если поменяем полярность на первой катушке, то и изменится ее магнитное поле. А это значит, что оно будет изменяться и во второй катушке. Это снова индуцирует ток во второй катушке, но не надолго.
Чтобы непрерывно можно было передать ток от первой катушки ко второй, нужен переменный источник тока. Переменный ток создает переменное магнитное поле. А переменное магнитное поле проницая проводник создает в нем переменный наведенный ток.
И поэтому, если на первую катушку будет подано переменное напряжение, то возникнет и переменное магнитное поле. Это магнитное поле индуцирует во второй катушке электромагнитное поле, и ток будет во второй катушке.
Такое явление называют взаимоиндукцией. Когда за счет индуктивности ток из одной части цепи можно передать в другую используя электромагнитное поле.
Многие путают электромагнитную индукцию и взаимоиндукцию. Но это разные явления, хоть и принцип действия во многом схож.
Кроме переменного тока можно использовать и импульсный ток, в котором плюс и минус не меняются местами. Главное выполнять правило — ток должен менять свое значение. И тогда будет переменное магнитное поле.
Кстати, когда работают блоки питания и светильники, издаваемый гул от них — это звук от катушек или их сердечников. Это из-за индукции. Магнитное поле из-за разного направления в катушках частично сдвигает витки и сердечники, отсюда и появляется тот самый звон. Это касается и электродвигателей. Поэтому такие детали заливают смолой или компаундом, чтобы уменьшить издаваемый звук.
Устройство трансформатора
А если катушки будут разными? Тогда можно преобразовать напряжение из одной величины в другую. Так и работает трансформатор. Трансформатор преобразует напряжение с первичной обмотки в напряжение другой величины на вторичной обмотке.
Трансформатор работает только с переменным, импульсным или любым другим током, у которого изменяется значение со временем.
Трансформатор преобразует ток и напряжение, но он не позволяет увеличить мощность. Даже наоборот, из-за нагрева он немного забирает мощность. И не смотря на это, его КПД может доходить вплоть до 99%.
Классический трансформатор
Разберем устройство классического трансформатора.
Основная его функция — это снижение или повышение напряжения для блока питания. Работает за счет сетевого напряжения и низкой частоты (от 50 Гц). Частота переменного тока важна для расчетов.
Классический трансформатор состоит из первичной и вторичной обмотки, а также сердечника (магнитопровода).
На первичную обмотку подается то напряжение, которое нужно преобразовать. А со вторичной обмотки снимают то напряжение, которое получилось за счет взаимоиндукции. Сердечник увеличивает магнитный поток.
Как же происходит преобразование? Все просто. Можно рассчитать индуктивность первичной и вторичной обмотки. Если нужно низкое напряжение, то вторичная обмотка имеет меньше витков, чем первичная. Раз первичная работает за счет сетевого напряжения, то и рассчитывается на 220 В с небольшим запасом из-за колебаний сети.
Напряжение на вторичной обмотке сдвинуто по фазе относительно первичной. Это связано с явлением взаимоиндукции. На графике показана примерная разница по синусоиде.
Трансформаторы могут быть источниками фазовых искажений. Они изменяют сигналы по фазе из-за индуктивности, как показано на графике выше.
На принципиальных схемах классический трансформатор обозначается двумя катушками с сердечником.
Соответственно, если у трансформатора несколько вторичных обмоток, то и количество катушек на схеме будет другим.
Количество обмоток на трансформаторе может быть любым. Могут быть и несколько первичных и вторичных обмоток. А еще есть трансформаторы с общей точкой для двуполярного питания.
Кстати, если вы думаете, что у трансформатора нет сторон, как у диодов или транзисторов, то вы ошибаетесь. У трансформатора тоже есть начало обмотки и конец обмотки. На принципиальных схемах обозначение начала обмотки обозначается точкой и цифрами.
Зачем это надо? Дело в том, что магнитная индукция имеет свое направление, и на этом заложен весь принцип работы схемы. Если подключить обмотку не так, как показано на схеме, то вся схема перестанет работать как изначально задумывалось. Еще как пример можно привести трёхфазные электродвигатели. У них и вовсе для правильной работы важно знать начало и конец обмотки.
Коэффициент трансформации
У трансформаторов есть такое понятие, как коэффициент трансформации. Это отношение его входных и выходных характеристик (отношение количества витков первичной обмотки к вторичной).
Например, если трансформатор понижающий, с 220 В до 12 В, то его коэффициент больше единицы, то есть К 1. У разделительного коэффициент равен 1.
От чего зависит мощность трансформатора
При расчете учитываются следующие параметры:
И все эти значения меняются в зависимости от расчетной мощности и требуемых параметров.
Типы классических трансформаторов
Классические трансформаторы по типу магнитопровода и расположению катушек разделяются на три основных вида:
Броневые чаще всего состоят из Е-пластин (или Ш, как многие называют), которые изолируются друг от друга лаком. В этом типе катушки заключены внутри сердечника как под броней. Поэтому они так и называются.
А еще сердечник может быть ленточным, но расположение катушек от этого не меняется.
Однако в плане эффективности преобразования мощности — это не самый лучший вариант. Магнитный поток получается неравномерным. Да и броневой трансформатор более уязвим к наводкам и помехам извне. Но зато у такого типа есть неоспоримое преимущество. Катушка наматывается достаточно просто, а сборка магнитопровода не составляет особого труда.
Такие трансформаторы чаще всего применяются в мелкогабаритной бытовой технике. Например, их можно часто встретить в мощных звуковых колонках от компьютеров.
Стержневые отличаются особенностями расположения катушек и конструкцией магнитопровода. Такой тип трансформаторов еще называют П-образным. Это связано с тем, что конструктивно сердечник такого трансформатора ленточный, и он собирается из узкой ленты электротехнической стали. И чтобы установить катушки в сердечник, его делают из двух форм в виде буквы П.
После установки двух катушек на первую часть сердечника, вторая часть замыкает ее при окончательной сборке.
Этот тип противоположность броневому. У такого трансформатора обмотки находятся снаружи, а у броневого наоборот, внутри.
Тороидальные трансформаторы являются самыми эффективными, и в тоже время самыми сложными в изготовлении. Сложности изготовления заключаются в том, что сердечник имеет форму тора. Он замкнут, и поместить катушки в сердечник так просто как в стержневых и броневых не получится.
Можно и разъединить трансформаторное железо на две полукруглые части (как П-образный трансформатор), но обмотку не получится намотать. Она будет не такая плотная и ровная.
Поэтому наматывают витки сразу на сердечник. А это намного дольше, да и автоматизировать такой процесс сложнее. Соответственно, и цена на такой трансформатор будет выше.
Режимы работы трансформаторов
Есть три основных режима:
1. Режим холостого хода. Первичная обмотка подключена к сети, но вторичная обмотка не подключена к нагрузке.
2. Режим нагрузки. Это рабочий режим. Первичная обмотка преобразует сетевое напряжение, а вторичная принимает его и подает в нагрузку.
3. Режим короткого замыкания. Вторичная обмотка находится в коротком замыкании. Это аварийный режим для большинства трансформаторов. В этой ситуации он может быстро нагреться и выйти из строя.
Все режимы и их критические параметры также зависят и от типа трансформатора. Например, для трансформатора тока, холостой режим является аварийным.
Импульсные трансформаторы
У импульсных трансформаторов другой тип действия. Они преобразуют напряжение до высоких частот с помощью схемы управления. Конечно из-за этого усложняется схема работы, но это позволяет накапливать большое количество энергии в катушках. Большое преимущество перед классическим трансформаторов — это компактность. Если классический трансформатор на 100 Вт будет большим, то импульсный в десятки раз меньше.
Из недостатков импульсных блоков питания — это наличие импульсных помех. Но и эти помехи удается сглаживать. Поэтому, все блоки питания в компьютерах, ноутбуках и зарядных устройствах чаще всего сделаны на импульсных трансформаторах.
Еще импульсные трансформаторы питают лампы подсветки в мониторах, которые подсвечивают матрицу. Это касается TFT мониторов.
Отличия импульсных трансформаторов от классических
Тезисно можно выделить несколько различий:
А еще, как правило, у импульсных трансформаторов больше обмоток, чем у классических.
Почему сердечник не делают сплошным
Сердечники (магнитопроводы) делают из железных пластин потому, что во время работы появляются токи Фуко. Их называют еще вихревыми токами. Эти токи появляются от наводок обмоток в сердечнике. В итоге сердечник может перегреться, и даже расплавить катушки.
Поэтому, для трансформаторов низкой частоты делают сердечники из изолированных друг от друга пластин.
Пластины могут быть покрыты лаком, или изолированы бумагой между собой. Это уменьшает короткие замыкания в пластинах.
А можно ли сделать сердечник сплошным? Да, так можно сделать. И у импульсных трансформаторов сердечники сделаны из ферромагнитного порошка, у которого частицы друг от друга изолированы. Он называется ферродиэлектрическим сердечником. Но это возможно только на высоких частотах, на которых работает импульсный трансформатор.
Схемы соединения обмоток силовых трансформаторов
В первичной обмотке каждая фаза должна распределяться под углом в 120 градусов. Первичная обмотка должна магнитно быть связана с вторичной через нейтральные точки. Ток может иметь значительное количество нечетных составляющих. Если силовые трансформаторы соединены с каждой фазой, то они смогут возвращаться в нормальное положение. Благодаря этой схеме вы узнаете как сделать трансформатор своими руками.
Эта схема обмотки считается наиболее простой. Также иногда часто может искажаться уровень выходящего напряжения. Технология линейного соединения может использоваться крайне редко. На сегодняшний день выбор силовых трансформаторов значительно увеличился.
Обслуживание и ремонт
Работа аппаратов связана с высокими значениями мощностей. Поэтому их обслуживанию уделяется повышенное внимание. Ежедневно обслуживающий персонал совершает осмотры, контролирует показания измерительных приборов.
В процессе техобслуживания оцениваются следующие показатели:
Если на объекте не предусмотрено круглосуточное дежурство персонала, периодическая ревизия производится раз в месяц. На трансформаторных пунктах осмотр выполняют раз в 6 месяцев.
При необходимости меняют или доливают масло. Его цвет контролируется при визуальном осмотре. Если оно стало темным, его меняют. Раз в год и при проведении капитального ремонта выполняют лабораторное исследование состава масла.
Для разрушения пленки окислов на медных и латунных элементах раз в 6 месяцев отключают установку от питания. Переключатель переводят через все положения несколько раз. Такую процедуру проводят перед сезонными колебаниями нагрузки.
Силовая аппаратура является важным элементом сети энергоснабжения. Они функционируют круглосуточно, поэтому важно уделять внимание особенностям их выбора и обслуживанию. Это одно из сложнейших, но крайне важных устройств.