Принцип работы трансформатора: что это такое

Содержание
  1. Что такое трансформатор?
  2. Немного исторических фактов
  3. Конструкция и принцип работы трансформатора
  4. Базовые принципы действия
  5. Что такое индукция
  6. Увеличение индуктивности сердечником
  7. Взаимоиндукция и принцип передачи тока
  8. От чего зависит мощность трансформатора
  9. Режимы работы
  10. Почему сердечник не делают сплошным
  11. Что делает трансформатор
  12. Вопросы об устройстве трансформатора
  13. Неисправности трансформаторов
  14. Как проверить на целостность
  15. Безопасная проверка работы трансформатора
  16. Технические характеристики
  17. Достоинства трансформатора тока
  18. Виды трансформаторов
  19. Вид 1. Силовые трансформаторы
  20. Вид 2. Измерительные приборы
  21. Вид 3. Автотрансформатор
  22. Вид 4. Тока
  23. Вид 5. Напряжения
  24. Вид 6. Импульсные трансформаторы
  25. Вид 7. Сварочные трансформаторы
  26. Вид 8. Разделительный трансформатор
  27. Вид 9. Согласующие трансформаторы
  28. Вид 10. Пик-трансформаторы
  29. Вид 11 и 12. Воздушные и масляные трансформаторы
  30. Вид 13. Сдвоенный дроссель
  31. Вид 14. Вращающиеся трансформаторы
  32. Отличия импульсных трансформаторов от классических трансформаторов
  33. Режимы работы трансформатора
  34. Холостой ход (ХХ)
  35. Режим нагрузки трансформаторов
  36. Короткое замыкание (КЗ) трансформаторов
  37. Типы трансформаторов по конструкции
  38. Однофазные трансформаторы
  39. Трехфазные трансформаторы
  40. Типы трансформаторов по напряжению
  41. Понижающий трансформатор
  42. Повышающий трансформатор
  43. Разделительный или развязывающий трансформатор
  44. Согласующий трансформатор
  45. Обозначение трансформаторов  на схемах
  46. Расшифровка основных параметров трансформаторов
  47. Подключение трансформатора тока
  48. Схема 1
  49. Схема 2
  50. Схема 3
  51. Схема 4
  52. Техника безопасности
  53. Области применения трансформаторов
  54. Цена трансформаторов
  55. Как выбрать трансформатор
  56. Методики расчета
  57. Защиты трансформатора
  58. Условия эксплуатации трансфораторов
  59. Возможные неисправности и признаки нарушений работоспособности трансформаторов
  60. Требования к распределительным устройствам: ОРУ, ЗРУ, ВРУ

Что такое трансформатор?

Коротко говоря, это стационарное устройство, используемое для преобразования переменного напряжения при сохранении частоты тока. Действие трансформатора основано на свойствах электромагнитной индукции.

Немного исторических фактов

Работа трансформатора была основана на явлении магнитной индукции, открытом М. Фарадеем в 1831 г. Физик, работая с постоянным электротоком, заметил отклонение стрелки гальванометра, соединенной с одной из двух катушек, намотанных на сердечник. При этом гальванометр реагировал только на моменты переключения первой.

Поскольку опыты проводились от источника постоянного тока, Фарадей не смог объяснить обнаруженное явление.

Прототип трансформатора появился только в 1848 г. Его изобрел немецкий механик Г. Румкорф, назвав устройство ИК особой конструкции. Однако трансформации выходных напряжений Румкорф не заметил. Датой рождения первого трансформатора считается день выдачи патента П. Н. Яблочкову на изобретение устройства с открытым сердечником. Это произошло 30 ноября 1876 года.

Типы аппаратов с закрытыми сердечниками появились в 1884 году. Они были созданы англичанами Джоном и Эдвардом Гопкинсонами.

Вообще технический интерес электромехаников к переменному току возник только благодаря изобретению трансформатора. Идеи русского электротехника М. О. Доливо-Добровольского и всемирно известного Николы Теслы выиграли спор о преимуществах переменного напряжения именно благодаря возможности преобразования электротока.

С победой идей этих великих электротехников потребность в трансформаторах резко возросла, что привело к их совершенствованию и созданию новых типов устройств.

Конструкция и принцип работы трансформатора

Обязательными элементами практически любого устройства преобразования напряжения являются изолированные обмотки, выполненные из проволоки или ленты. Они расположены в магнитопроводе, представленном сердечником из ферромагнита. Связь  осуществляется магнитным потоком. В случае работы с токами высокой частоты (100 кГц и более) сердечник отсутствует.

Принцип работы трансформатора
Принцип работы трансформатора

Принцип действия трансформатора сочетает в себе основные постулаты электромагнетизма и электромагнитной индукции. Его можно рассмотреть на примере простого устройства с двумя катушками и стальным сердечником. Подача переменного напряжения на первичную обмотку приводит к возникновению магнитного потока в магнитопроводе, после чего во вторичной и первичной обмотках возникает ЭДС индукции, если подключить нагрузку ко вторичной обмотке, то будет протекать электроток. Частота напряжения на выходе остается неизменной, а его величина зависит от соотношения витков.

Трансформаторы бывают повышающие и понижающие, для определения этого нужно узнать коэффициент трансформации, с его помощью можно узнать, какой именно трансформатор перед вами. Если коэффициент меньше 1, то трансформатор идет вверх (это можно определить и по значениям, если во вторичной обмотке больше, чем в первичной, то это повышение) и наоборот, если К > 1 , то понижение (если в первичной обмотке меньше витков, чем во вторичной).

Формула для расчета коэффициента трансформации

где:

  • U1 и U2 — напряжения на первичной и вторичной обмотках;
  • N1 и N2 — количество витков в первичной и вторичной обмотках;
  • I1 и I2 — ток в первичной и вторичной обмотках.

Конструкция силового трансформатора:

Трансформер Дизайн

Базовые принципы действия

При подаче синусоидального тока на выводы первичных обмоток он создает во второй переменное МП, пронизывающее магнитопровод. В свою очередь, изменение магнитного потока вызывает ЭДС. При этом величина напряжения ЭДС на обмотках пропорциональна числу витков и частоте электротока. Отношение числа витков в цепи первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации: k = W1/W2, где символы W1 и W2 обозначают число витков.

Если k > 1, то трансформатор повышает, а когда 0 < k < 1, — понижает. Например, когда число витков, составляющих первичную обмотку, в три раза меньше числа витков вторичной, то k = 1/3, тогда U2 = 1/3 U1.

Что такое индукция

Если по проводу проходит электроток, возникает МП.

МП является составной частью электрического поля. Электрическая энергия сохраняется в МП.

В постоянных магнитах наличие МП объясняется направлением «доменов в одну сторону». Каждый отдельный атом имеет свое маленькое МП. В случае с постоянными магнитами все эти небольшие МП идут в одном направлении. Вот почему постоянный магнит имеет такое сильное МП.

И другие материи могут быть намагничены, то есть МП будут направлены в одну сторону. Так вы получите «искусственно созданный» магнит.

Кстати, у ремонтников очень популярен магнит, который намагничивает и размагничивает отвертки. Пользоваться такими отвертками удобно, так как мелкие болты и шурупы останутся на отвертке и не упадут при неосторожном движении.

А индуктивность — это способность создавать МП, когда через него протекает электроток.

ВАЖНО! Чем больше материал может создать МП, тем больше его индуктивность.

МП можно увеличить, сделав катушку.


Достаточно взять проволоку, обмотать ее вокруг каркаса. И МП витков будут складываться.

Это индуктор.

Провод в индукторе должен быть изолирован. Потому что если хотя бы один виток замкнуть на другой, то и МП будет неравным. Витки будут замкнутые, поэтому МП потеряет свою однородность.

Если подать на катушку постоянный ток, то МП будет постоянным. Оно не будет менятся. Что будет, если она отключена от источника? Тогда наступит явление самоиндукции. Поскольку ток уменьшается, больше нечем поддерживать магнитное поле. И вся энергия, которая была в МП, становится электрической.

ВАЖНО! Изменение МП создает электрическое поле.

Увеличение индуктивности сердечником

Как увеличить индуктивность? Только с помощью количества витков и диаметра кабеля? На индуктивность также влияет окружающая среда. Воздух — не лучший вариант для хранения или передачи МП. Он обладает низкой магнитной проницаемостью. Также при изменении плотности воздуха и температуры эта величина меняется. Поэтому для увеличения индуктивности используют ферромагнетики. К ним относятся железо, никель, кобальт и др.

ВАЖНО! Если сделать стержень в центре катушки из таких материй, можно увеличить индуктивность.

Ферромагниты применяются для изготовления сердечников (магнитопроводов). В основном применяют электротехническую сталь, которая изготавливается специально для этих целей.
Индуктор и сердечник
Кстати, теперь гораздо проще регулировать индуктивность со стержнем. Достаточно аккуратно подвигать его внутри и индуктивность будет меняться плавно. Это удобнее, чем разделять витки.

Взаимоиндукция и принцип передачи тока

Так как в катушке можно накопить энергию за счет МП, то можно передать эту энергию в другую.

Допустим, есть два одинаковых индуктора. Один подключен к электросети, другой нет.

Когда питание подключено, первая будет иметь МП. А если приблизить вторую к первой, во второй наводится ЭДС за счет МП первой.Что такое взаимная индукция

Но ЭДС второй не будет длительным явлением. Если к первой приложить постоянное напряжение, то МП будет постоянным.

А электроток возникает только с переменным МП. Поэтому ток во второй сразу исчезнет, ​​как только МП стабилизируется.

Принцип работы взаимной индукции

Если мы изменим полярность первой катушки, ее МП изменится. А это значит, что оно изменится и на второй катушке. Это снова индуцирует ток во второй катушке, но ненадолго.

Чтобы иметь возможность непрерывно передавать ток от первой катушки ко второй, нужен переменный источник тока. Переменный ток создает переменное МП. Переменное магнитное поле, пронизывая проводник, создает в нем переменный наведенный ток.

И поэтому, если к первой катушке приложить переменное напряжение, возникнет и переменное МП. Это МП индуцирует электромагнитное поле во второй катушке, и во второй катушке будет ток.

Это явление называется взаимоиндукцией. Когда за счет индуктивности ток из одной части цепи может передаваться в другую за счет электромагнитного поля.

ВАЖНО! Многие путают электромагнитную индукцию с взаимоиндукцией. Но это разные явления, хотя принцип работы очень похож.

Помимо переменного тока можно использовать и импульсный ток, в котором плюс и минус не меняются местами. Главное соблюдать правило, что ток должен менять свое значение. И тогда будет переменное магнитное поле.

Кстати, при работе блоков питания и ламп гудение, которое они издают, — это звук катушек или их сердечников. Это связано с индукцией. Магнитное поле из-за разного направления в катушках частично смещает катушки и стержни, из-за чего появляется гудение. Это относится и к электродвигателям. Поэтому такие детали заполняют смолой или компаундом для уменьшения издаваемого звука.

От чего зависит мощность трансформатора

При расчете учитываются следующие параметры:

  • размеры магнитопровода (сердечника);
  • количество витков;
  • сечение провода;
  • количество обмоток;
  • рабочая частота.

И все эти значения варьируются в зависимости от расчетной мощности и требуемых параметров.

Режимы работы

Силовой трансформатор может работать в трех режимах:

  • в состоянии покоя;
  • в режиме зарядки;
  • в режиме короткого замыкания.

Поскольку в разомкнутой цепи вторичной обмотки ток отсутствует, то в этом состоянии через первичную обмотку протекает ток холостого хода. По параметрам этого тока рассчитывают КПД, определяют коэффициент трансформации и находят потери в стержне.

Основным режимом работы трансформатора является состояние, когда к его второй обмотке подключена номинальная нагрузка. Первичный ток можно выразить через результирующий ток холостого хода и расчетный ток сопротивления нагрузки.

В режиме короткого замыкания вторичной обмотки вся мощность сосредоточена в цепях обмоток. В этом состоянии можно определить потери, затрачиваемые на нагрев проводов в обмотках.

Почему сердечник не делают сплошным

Сердечники (магнитопроводы) изготавливают из железных пластин, так как при работе возникают вихревые токи. Эти токи возникают от наводок обмоток в сердечнике. В результате он может перегреться и даже расплавить катушки.

ВАЖНО! Поэтому у трансформаторов низкой частоты стержни выполняются из изолированных друг от друга пластин.

Пластины можно покрыть лаком или изолировать бумагой. Это уменьшает короткие замыкания на платах.

Можно ли сделать сердечник сплошным? Да. А в импульсных трансформаторах они сделаны из ферромагнитного порошка, в котором частицы изолированы друг от друга. Его называют ферродиэлектрическим сердечником. Но это возможно только на высоких частотах, на которых работает импульсный трансформатор.

Что делает трансформатор

Трансформатор имеет множество полезных и важных функций:

  • Он передает электричество на расстояние. Он способен повышать переменное напряжение. Это помогает передавать переменный ток на большие расстояния. Так как провода тоже имеют сопротивление, то для преодоления сопротивления проводов требуется высокое напряжение от источника тока. Поэтому трансформаторы незаменимы в электрических сетях, где они повышают напряжение до десятков тысяч вольт. Даже рядом с электростанциями, вырабатывающими электроэнергию, стоят распределительные трансформаторы. Они повышают напряжение для передачи своим потребителям. А возле потребителей стоит понижающий трансформатор, который снижает напряжение до 220 В 50 Гц.

  • Питает электронику. Трансформатор является частью блока питания. Он снижает входное сетевое напряжение, которое затем выпрямляется диодным мостом, фильтруется и подается на плату. На самом деле он используется практически в любом блоке питания и преобразователе.

Зачем нужен трансформатор и где он применяется

  • Питает радиолампы и электронно-лучевые трубки. Радиолампы требуют широкого диапазона напряжений. Это 12В и 300В и т.д.

  • Для этих целей изготавливают трансформаторы, понижающие и повышающие напряжение сети. Это достигается за счет использования разных обмоток на одном стержне. Одним из видов ламп являются электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). Они используются в электронных микроскопах, где пучок электронов может создавать подробные изображения микроскопических поверхностей. Они требуют высокого напряжения, порядка нескольких десятков тысяч киловольт. Это необходимо для ускорения электронного пучка до высоких скоростей в вакуумной трубке. Электрон в вакууме может увеличить свою скорость за счет увеличения напряжения. И здесь, кстати, используется импульсный трансформатор. Он увеличивает напряжение из-за работы ШИМ (широтно-импульсной модуляции). Такие трансформаторы называются строчными (или разверточными).

Применение трансформаторов в электронике
Такое название дано неспроста, так как такой преобразователь выполняет функцию строчной развертки. По сути, кинескоп — это электронно-лучевая трубка. Поэтому для работы телевизоров, где используется кинескоп, необходим строчный трансформатор.

  • Согласует сопротивления. В аудиоусилителях важную роль играет согласование источника и потребителя. Поэтому существуют согласующие трансформаторы, позволяющие передать в нагрузку максимальную мощность. Если бы такого трансформатора не было, ламповые усилители, рассчитанные на 100 Вт, выдавали бы в нагрузку менее 50 Вт.

Например, на выходе усилителя 2 кОм, а трансформатор выравнивает сопротивление и снижает напряжение для плавной работы динамиков. А на его вторичной обмотке сопротивление составляет всего несколько десятков Ом.
Согласующий трансформатор

  • Для обеспечения безопасности. Трансформатор создает гальваническую развязку между сетью и источником питания. Это последняя линия сохранения блока питания, если что-то пойдет не так. Будет время, чтобы предохранитель сработал. Или катушки и магнитопровод расплавятся, а сетевой нагрузки потребитель не получит. Физически он не подключен к сети 220 В. Связь есть только с помощью магнитного поля (взаимоиндукция). А если трансформатор рассчитан на 100 ватт, то он может выдавать только 100 ватт.

Трансформатор и гальваническая развязка
Таким образом, потребитель будет защищен от опасных больших токов. Вот почему бестрансформаторные источники питания считаются опасными.

  • Деталь оружия. Электрошокеры используют высокое напряжение. И они форматируются высоковольтным трансформатором. Он также используется в некоторых схемах Гаусс пушки.

Вопросы об устройстве трансформатора

— Почему расстояние между катушками минимальное?
Это сделано для лучшего контакта магнитных полей. Если зазор большой, то КПД трансформатора будет низким.

-Можно ли сделать трансформатор без сердечника, аналогичный по мощности трансформатору с ним?
Да, но тогда вам придется увеличить количество витков, чтобы увеличить магнитный поток. Например, при одном сердечнике обмотки могут иметь несколько тысяч витков. А без него придется увеличивать магнитный поток за счет витков. А количество витков будет составлять несколько десятков тысяч. Это не только увеличивает размер катушек, но и снижает их эффективность и увеличивает вероятность перегрева.

— Можно ли использовать понижающий трансформатор как повышающий?
Если у вас есть трансформатор, снижающий напряжение сети с 220 В до 12 В, вы можете подключить его как усилитель. То есть можно подать на его вторичную обмотку переменное напряжение 12 В, а в первичной получить увеличенное напряжение 220 В.

— Что произойдет, если на вторичную обмотку понижающего трансформатора поступит сетевое напряжение?
Тогда обмотка сгорит. Ее сопротивление, количество витков и сечение провода не рассчитаны на такие напряжения.
Обратное подключение трансформатора
— Можно ли сделать трансформатор своими руками в бытовых домашних условиях?
Да, это вполне реально. И так делают многие радиолюбители и электронщики. А некоторые даже зарабатывают на продаже готовой продукции. Но стоит помнить, что это долгая, сложная и кропотливая работа. Вам нужны качественные материи. Это трансформаторное железо, эмалированные медные провода различного сечения, изоляционные материи.
Эмалированный провод для обмотки трансформатора
Все материи должны быть высокого качества. Если медный провод имеет плохую изоляцию, в нем может произойти короткое замыкание между витками, что неизбежно приведет к перегреву. А для начала нужно рассчитать все параметры будущего трансформатора. Это можно сделать с помощью различных программ, доступных в сети.
Можно ли сделать трансформер своими руками
Далее идут долгие часы сборки. Особенно, если вы решили намотать тороидальный трансформатор.

Наматывать витки нужно крепко и ровно, записывать каждый десяток, чтобы не запутаться и не изменить характеристики будущего преобразователя или блока питания.

— Что будет, если включить трансформатор без сердечника?
Так как трансформатор изначально рассчитывался с стержнем, полностью преобразовать напряжение он не сможет. То есть во вторичке что-то будет, но точно не те параметры. А если подключить нагрузку к обмоткам без него, то они быстро нагреются и сгорят.

Неисправности трансформаторов

К основным неисправностям трансформатора относятся:

  • коррозия и ржавчина на стержне;
  • перегрев и нарушение изоляции;
  • короткое замыкание между витками;
  • деформация корпуса, обмоток и сердечника;
  • попадание воды в обмотку.

Как проверить на целостность

Трансформатор можно проверить обычным мультиметром. Установите мультиметр в режим измерения сопротивления и проверьте обмотки.
Проверка трансформатора мультиметром
Они никогда не должны быть в обрыве. Если нигде нет обрывов, найти первичную и вторичную обмотки можно путем измерения сопротивления. Первичная обмотка понижающего трансформатора будет иметь большее сопротивление, чем вторичная. Все упирается в количество витков. Чем больше витков и меньше диаметр провода, тем выше сопротивление обмотки.

Также можно найти паспорт на свой трансформатор. Там указано сопротивление обмоток и их параметры, которые нужно будет проверить мультиметром.

Безопасная проверка работы трансформатора

Если вы решили намотать свой трансформатор или проверить старый, обязательно подключите лампочку в разрыв цепи(последовательно!). Если что-то пойдет не так, лампочка включится и возьмет на себя ток, и вы сможете спасти неисправный трансформатор.

Технические характеристики

Важной особенностью являются коэффициенты трансформации. Они показывают зависимость выходного напряжения от соотношения витков в обмотках. Коэффициент трансформации является основным параметром при расчете.

Еще одной важной характеристикой трансформатора является его КПД. В некоторых устройствах этот показатель составляет 0,9 — 0,98, что характеризует незначительные потери от магнитных полей рассеяния. Мощность P зависит от площади поперечного сечения S магнитопровода. По величине S при расчете параметров трансформатора определяют число витков в катушках: W = 50/S.

На практике мощность выбирают исходя из ожидаемой нагрузки с учетом потерь в сердечнике. Мощность вторичной обмотки Pн= Un×In, а мощность первичной обмотки Pс= Uс×Iс. В идеале Pн = Pс (если пренебречь потерями в стержне). Тогда, k = Uc/Un = Ic/In, то есть токи в каждой из обмоток обратно пропорциональны их напряжениям, а значит, и числу витков.

Достоинства трансформатора тока

Много трансформеров

Трансформаторы имеют большое количество преимуществ, о которых необходимо рассказать. Вот основные из них:

  1. Возможность регулирования электротока в цепи.
  2. Простая изоляция (гарантия безопасности при эксплуатации).
  3. Точность действий и простота использования устройства.
  4. Большой охват и диапазон измерения электротока.
  5. Не самые большие габариты (в зависимости от вида).
  6. Не самая значительная масса (в зависимости от вида).
  7. Развязка первичной цепи.
  8. Развязка вторичной цепи.
  9. Почти полная независимость от температуры наружного воздуха.
  10. Способность выдерживать процесс перенапряжения.
  11. Способность быстро восстанавливаться после короткого замыкания.
  12. Способность передавать даже электрический импульс.

Виды трансформаторов

Для решения задач преобразования напряжения в различных схемах изобретены трансформаторы различных конструкций. Производители выбирают свои концепции магнитопроводов (см. рис. 4), которые не влияют на работу и параметры устройств:

  • стержневой вид (в основном применяется для трехфазных конструкций);
  • броневой вид (трехфазные устройства);
  • тороидальный вид сердечника часто применяется в трансформаторах, используемых в различных электротехнических устройствах.

Типы магнитопроводов
Типы магнитопроводов.

Более широкий диапазон охватывает классификация по назначению.

Вид 1. Силовые трансформаторы

Назначение силового трансформатора понятно из названия. Термин «силовые» применяется к семейству моделей, как правило, большой силы, используемых для преобразования электроэнергии в линиях электропередач и в различных служебных установках.

При преобразовании сохраняются частоты переменного тока, поэтому возможно подключение силовых трансформаторов в группы для работы в высоковольтных трехфазных сетях.

Силовые устройства могут быть соединены группами с разными схемами соединения обмоток: по принципу звездочки, треугольника или зигзага. Схема «звездочка» оправдана, если нагрузка симметрична в трехфазных сетях. В противном случае предпочтение отдается треугольнику. При таком способе соединения токи первичной обмотки намагничивают каждый стержневой магнитопровод отдельно.

Тогда однофазное сопротивление приблизится к расчетному и перекос напряжения будет устранен.

Вид 2. Измерительные приборы

Трансформаторы тока (ТТ) снижают ток до требуемых уровней. Схема их работы отличается последовательным включением первичной обмотки и нагрузки. При этом вторичная обмотка, находящаяся в состоянии, близком к короткому замыканию, используется для подключения измерительных приборов, устройств исполнения и индикации. С помощью ТТ осуществляется гальваническая развязка, позволяющая отказаться от шунтов при измерениях.

ТТ высокого напряжения (слева) и ТТ низкого напряжения (справа)
ТТ высокого напряжения (слева) и ТТ низкого напряжения (справа)

Трансформаторы напряжения (ТН) — то же самое, что и ТА, только по напряжению. Помимо преобразования входных параметров электрооборудование и его отдельные элементы защищены от высокого напряжения.

преобразователь напряжения
ТН высокого напряжения (слева) и ТН низкого напряжения (справа)

Вид 3. Автотрансформатор

В автотрансформаторах обмотки образуют одну цепь и взаимодействуют посредством электромагнитной и электрической связи. В отличие от других типов преобразователей, устройства могут содержать только 3 вывода, что позволяет работать с разными напряжениями. Устройства выделяются высоким КПД, что особенно заметно при незначительной разнице входного и выходного напряжения.

Однофазный (слева) и трехфазный (справа)
Однофазный (слева) и трехфазный (справа)

Без гальванической развязки представители этого типа повышают риск возникновения высоковольтного удара по нагрузке. Надежное заземление и низкий коэффициент трансформации являются обязательными условиями для работы устройства. Недостаток компенсируется меньшим количеством материй для изготовления, компактностью и массой, стоимостью.

Вид 4. Тока

Можно соединить первичную обмотку последовательно в электрическую цепь с другими приборами и получить гальваническую развязку. Такие устройства называются трансформаторами тока. Первичная цепь таких устройств управляется изменением однофазной нагрузки, а вторичная катушка используется в измерительных приборах или сигнализации. Второе название приборов — измерительные трансформаторы.

Особенностью работы таких трансформаторов является особый режим работы выходной обмотки. Работает прибор трансформатора в критическом режиме короткого замыкания. При обрыве вторичной цепи в ней возникает сильный скачок напряжения, что может привести к пробою или повреждению изоляции.

Трансформатор тока
Трансформатор тока

Вид 5. Напряжения

Типичным применением является изоляция логических цепей защиты от высокого напряжения для измерительных приборов. Трансформатор напряжения — это понижающий прибор, который преобразует высокое напряжение в более низкое.

Вид 6. Импульсные трансформаторы

Современная электроника использует высокочастотные сигналы, которые часто необходимо отделять от других сигналов.
Задача импульсных трансформаторов заключается в преобразовании импульсных сигналов при сохранении формы импульса.

Для высокочастотных импульсных приборов выдвигаются требования максимального сохранения формы импульса на выходе. Важна форма, а не амплитуда и даже не знак.

Вид 7. Сварочные трансформаторы

В работе сварочного прибора важен большой сварочный ток. При этом напряжение сети снижается до безопасного уровня. Дуговой разряд сварочного прибора за счет мощного электротока расплавляет металл.

Сварочный трансформатор имеет возможность ступенчатого регулирования тока во вторичных цепях изменением индуктивного сопротивления или секционированием одной из обмоток.

Фотография трансформатора представлена ​​на рисунке 6. Обратите внимание на наличие коммутирующего тумблера.

Трансформатор для полуавтоматической сварки в экранированном магнитопроводе
Рис. 6. Трансформатор для полуавтоматического сварочного прибора на броневом магнитопроводе.

В сварочных аппаратах применяют конструкции на основе однофазных трансформаторов, а также с применением трехфазных трансформаторов. Для сварки некоторых металлов, например нержавеющей стали, сварочный ток выпрямляют.

Вид 8. Разделительный трансформатор

Для разделительных трансформаторов исключается взаимодействие между обмотками. Устройства повышают безопасность электрооборудования при повреждении изоляции.

Делитель
Разделительный трансформатор.

Вид 9. Согласующие трансформаторы

Эти типы устройств используются для согласования сопротивлений каскадов электронных цепей. Они обеспечивают минимальные искажения формы волны, создают гальваническую развязку между узлами электронных устройств.

Вид 10. Пик-трансформаторы

Устройства, преобразующие синусоидальные токи в импульсные напряжения. Полярность выходных напряжений меняется каждые полпериода.

Вид 11 и 12. Воздушные и масляные трансформаторы

Силовые трансформаторы бывают сухими (с воздушным охлаждением) (см. рис. 7) и масляными (см. рис. 8).

Модели сухих силовых трансформаторов чаще всего используются для преобразования сетевых напряжений в т.ч. в трехфазных сетях.

Сухой трехфазный трансформатор
Рисунок 7. Трехфазный сухой трансформатор.

При подключении нагрузки обмотки нагреваются, что грозит разрушением электроизоляции. Поэтому в сетях с напряжением выше 6 кВ работают аппараты с масляным охлаждением. Специальное трансформаторное масло повышает надежность изоляции, что очень важно при больших мощностях.

Структура промышленного трансформатора с масляным охлаждением
Рис. 8. Конструкция промышленного масляного трансформатора.

Вид 13. Сдвоенный дроссель

Особенностью сдвоенного дросселя является идентичность обмоток. Взаимная индуктивность обеих катушек делает его более эффективным, чем стандартные дроссели. Устройства используются в качестве входных фильтров в источниках питания, в звуковых и цифровых приборах.

Двойной дроссель
Двойной дроссель.

Вид 14. Вращающиеся трансформаторы

Они применяются для обмена сигналами с вращающимися барабанами. Конструктивно они состоят из двух половинок магнитопровода с катушками. Эти части вращаются относительно друг друга. Обмен сигналами происходит при высоких скоростях вращения.

Отличия импульсных трансформаторов от классических трансформаторов

Вкратце, есть несколько отличий:

  • рабочая частота;
  • состав;
  • размеры;
  • схема работы;
  • цена.

И, как правило, импульсные трансформаторы имеют больше обмоток, чем классические трансформаторы.

Режимы работы трансформатора

Холостой ход (ХХ)

Такой порядок работы реализуется с момента размыкания вторичной сети, после чего протекание электротока в ней прекращается. В первичной обмотке протекает ток холостого хода, его составным элементом является ток намагничивания.

Когда вторичный ток равен нулю, ЭДС индукции в первичной обмотке полностью компенсирует напряжение питания, и, таким образом, при потере токов нагрузки ток, протекающий через первичную обмотку, соответствует по величине току намагничивания.

Функциональное назначение работы трансформаторов вхолостую заключается в определении их важнейших параметров:

  • эффективность;
  • показатель трансформации;
  • потери в магнитопроводе.

Режим нагрузки трансформаторов

Режим характеризуется работой устройства, когда на входы первичной цепи подается напряжение, а нагрузка подключается ко вторичной. Через «вторичку» идет зарядный ток, а в первичке — суммарный ток нагрузки и ток холостой работы. Этот режим работы считается преимущественным для приборов.

Основной закон ЭДС индукции отвечает на вопрос, как работает трансформатор в основном режиме. Принцип следующий: подача нагрузки на вторичную обмотку вызывает образование во вторичной цепи магнитного потока, который формирует нагружающий электроток в сердечнике. Он направлен в сторону, противоположную его потоку, создаваемому первичной обмоткой. В первичной цепи не соблюдается паритет ЭДС поставщика электроэнергии и индукции, в первичной обмотке электроток увеличивается до тех пор, пока магнитный поток не вернется к исходному значению.

Короткое замыкание (КЗ) трансформаторов

Переход аппарата в этот режим осуществляется при коротком замыкании вторичной цепи. Короткое замыкание — особый вид нагрузки, приложенная нагрузка, сопротивление вторичной обмотки, — единственная.

Принцип работы трансформатора в режиме короткого замыкания следующий: на первичную обмотку поступает незначительное переменное напряжение, вторичные выводы замыкаются накоротко. Входное напряжение регулируется таким образом, чтобы значение тока замыкания соответствовало значению номинального электротока устройства. Значение напряжения определяет потери энергии, приходящиеся на нагрев обмоток, а также на активное сопротивление.

Этот режим характерен для измерительных приборов.

Исходя из разнообразия устройств и типов назначения трансформаторов, можно с уверенностью сказать, что на сегодняшний день это незаменимые устройства, применяемые практически повсеместно, обеспечивающие стабильность и достижение требуемых потребителем значений напряжения, как гражданских сетей, так и промышленных сетей предприятий

Типы трансформаторов по конструкции

Однофазные трансформаторы

Это трансформаторы, которые преобразуют однофазное переменное напряжение одного значения в однофазное переменное напряжение другого значения.

однофазный трансформатор

В основном однофазные трансформаторы имеют две обмотки, первичную и вторичную. На первичную обмотку подается значение напряжения, а со вторичной снимается нужное нам напряжение. Чаще всего в быту можно увидеть так называемые сетевые трансформаторы, у которых первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение, то есть 220 В.

На схемах однофазный трансформатор обозначается так:

обозначение однофазного трансформатора на схеме

Первичка слева, вторичка справа.

Иногда для питания различных приборов требуется много различных напряжений. Зачем ставить трансформатор на каждое устройство, если можно получить сразу несколько напряжений от одного трансформатора? Поэтому иногда бывает несколько пар вторичных обмоток, а иногда даже некоторые обмотки выводят непосредственно из имеющихся вторичных обмоток. Такой трансформатор называется трансформатором с несколькими вторичными обмотками. На схемах можно увидеть примерно следующее:

вторичные обмотки трансформатора

Трехфазные трансформаторы

Эти трансформаторы в основном применяются в промышленности и в большинстве случаев они больше, чем простые однофазные трансформаторы. Почти все трехфазные трансформаторы считаются силовыми. То есть их применяют в схемах, где необходимо запитать мощные нагрузки. Это могут быть станки с ЧПУ и другое промышленное оборудование.

трехфазный трансформатор

На схемах трехфазные трансформаторы обозначаются так:

виды соединений обмоток трехфазного трансформатора

Первичные обмотки обозначаются заглавными буквами, а вторичные — строчными.

Здесь мы видим три типа соединения обмоток (слева направо)

  • звезда-звезда;
  • звезда-треугольник;
  • треугольник-звезда.

В 90% случаев используется именно звезда-звезда.

Типы трансформаторов по напряжению

Понижающий трансформатор

Это трансформатор, понижающий напряжение. Допустим, на первичную обмотку подаем 220 вольт, а снимаем 12 вольт. В этом случае коэффициент трансформации (k) будет больше 1.

Повышающий трансформатор

Это трансформатор, повышающий напряжение. Допустим, на первичную обмотку мы подаем 10 Вольт, а со вторичной уже снимаем 110 В, то есть увеличиваем наше напряжение в 11 раз. Повышающие трансформаторы имеют коэффициент трансформации менее 1.

Разделительный или развязывающий трансформатор

Такой трансформатор применяется в целях электробезопасности. В основном это трансформатор с одинаковым количеством обмоток на входе и на выходе, то есть его напряжение на первичной обмотке будет равно напряжению на вторичной обмотке. Нулевой вывод вторичной обмотки такого трансформатора не заземляется. Поэтому, коснувшись одной фазы в таком трансформаторе, мы не получаем удар тока. Разделительные трансформаторы имеют коэффициент трансформации 1.

Согласующий трансформатор

Такой трансформатор применяется для выравнивания входного и выходного сопротивлений между каскадами схемы.

Обозначение трансформаторов  на схемах

Трансформаторы наглядно представлены на электрических схемах. Условно изображаются обмотки, которые разделены магнитопроводом в виде толстой или тонкой линии (см рис. 9).

Пример обозначения
Пример обозначения

На схемах трехфазного трансформатора обмотки начинаются со стороны сердечника.

Расшифровка основных параметров трансформаторов

Разнообразие в конструкции и широкий диапазон параметров трансформаторов привели к необходимости их маркировки по специальному стандарту. Не имея под рукой технического описания,  характеристики устройства вы можете читать информацию, напечатанную на его поверхности, выраженной буквенно-цифровым кодом.

Маркировка силовых трансформаторов содержит 4 блока.

блочное декодирование

Вы можете скачать и просмотреть ГОСТ 15150 здесь: Просмотр файла

Расшифруем первые три блока:

расшифровка
Расшифровка маркировки: 1,2,3 блока

  1. Первая буква «А» закреплена за автотрансформаторами. Если ее нет, буквы «Т» и «О» соответствуют трехфазным и однофазным трансформаторам.
  2. Наличие буквы «Р» дополнительно информирует об устройствах с расщепленной обмоткой.
  3. Третья буква означает охлаждение, естественной масляной системе охлаждения присвоена буква «М». При естественном воздушном охлаждении присваивается буква «С», при масляном охлаждении с принудительной циркуляцией воздуха применяется «Д», при принудительной циркуляции масла — «Ц». Комбинация «ДЦ» указывает на наличие принудительной циркуляции масла с одновременным воздушным обдувом.
  4. Буквой «Т» обозначаются трехобмоточные преобразователи.
  5. Последний знак характеризует отличительные черты трансформатора:
  • «Н» — РПН (регулировка напряжения под нагрузкой);
  • пробел — переключение без возбуждения;
  • «Г» — грозозащищенный.

Подключение трансформатора тока

Трансформатор тока можно подключить к цепи несколькими способами:

Схема 1

Итак, данная система состоит сразу из трех трансформаторов тока, которые обобщаются и закрепляются в одну звезду. Обычно эту схему применяют в качестве схемы сохранения от короткого замыкания (однофазного или многофазного короткого замыкания). В том случае, если ток, протекающий по цепи, будет меньше установленного уровня реле (ка 1-ка 3), режим работы будет считаться нормальным и схема сохранения от короткого замыкания не сработает.
Схема 1
Схема №1

Стоит сказать, что ток, протекающий в цепи от реле ка 0, обычно воспринимается как геометрическая сумма тока (сумма его 3-х фаз) (ка 1-ка 3)).
Чтобы отключить трансформатор в этом контуре и цепи, нужно просто заземлить ток.

Схема 2

Вторая схема подключения трансформатора тока в цепь имеет сходные характеристики с первой. Однако есть существенные отличия, которые нельзя не учитывать. Итак, это конструкция, включающая в себя несколько трансформаторов тока, обычно она применяется для сохранения цепи от междуфазного короткого замыкания (важное примечание: электрическая цепь имеет нейтральное заземление).

Схема 2
Схема №2

Эта система начнет работать в том случае, если через реле пройдет ток (опять же ка 1-ка 3) и будет иметь место наличие не самых мощных элементов (потребитель и источник).

Схема 3

Пришло время поговорить о схеме номер три, которая не имеет серьезных отличий от предыдущих. Это разновидность соединения в виде треугольника, где нормальный режим работы осуществляется за счет проникновения тока в реле.

Схема 3
Схема №3

Как правило, эта конструкция применяется в электроустановках для проведения релейных (дифференциальных, отличающихся избирательностью и быстротой действия).

Схема 4

И, наконец, последний — четвертый тип схемы.

Схема 4
Схема №4

Это сооружение считается достаточно практичным и универсальным. Это связано с тем, что такой процесс подключения трансформатора тока позволяет не только защитить электрическую цепь от однофазных/междуфазных замыканий, но и увеличить ток в необходимых реле.

Отключение также происходит через заземление.

Техника безопасности

При эксплуатации необходимо соблюдать определенные правила:

  • при появлении трещин в корпусе, шума или вибрации автотрансформатор сразу отключается;
  • запрещается оставлять без присмотра оборудование, за которым предусмотрен постоянный контроль;
  • двигатель, мощность которого более чем на 70% превышает мощность автотрансформатора, подключать нельзя;
  • эти устройства нельзя применять открытыми, накрывать, закрывать вентиляционные отверстия, размещать на них другое оборудование или предметы.

При ремонте автотрансформатора или устройства, в состав которого он входит, необходимо отключить его от сети.

Области применения трансформаторов

Помимо преобразования напряжения в электрических сетях, трансформаторы часто применяются в источниках питания электронных устройств. В основном это автотрансформаторы, выдающие одновременно различные напряжения для различных узлов.

Сегодня бестрансформаторные блоки питания применяются все больше и больше. Однако там, где требуется мощный переменный ток, без электромагнитных устройств не обойтись.

Цена трансформаторов

Цена трансформатора сильно варьируется и зависит от многих факторов. Учитывается тип и назначение, мощность и другие электрические параметры. Стоимость устройств отражает сложность производства и используемые материи. Не менее важны сохранение и другие особенности.

Трансформатор от известного распространненного производителя не может стоить дешево. Однако покупатель может быть уверен, что приобретенное им устройство полностью соответствует заданным характеристикам, не выйдет из строя с первого включения и гарантированно отработает заявленный ресурс.

ВАЖНО! Высоковольтные трансформаторы можно оценить по их мощности, то есть если мощность одного трансформатора 63 МВт (63 000 кВА), то он стоит около 63 млн рублей, но это приблизительная оценка.

Как выбрать трансформатор

Характерными показателями СТ для строительства, монтажа тепловых электростанций, гидроэлектростанций, атомных электростанций, дизельных электростанций являются: мощность, надежность электропитания. Для отдельных категорий потребителей электроэнергии важным фактором является надежность электроснабжения. При выборе устройств обращают внимание на сохранение линий электропередач. Высокая степень финансовой эффективности СТ — проектирование оптимальной распределительной сети: ОРУ, ЗРУ, ВРУ для передачи электроэнергии.

Затраты на приобретение и техническое обслуживание трансформаторов включают устройства преобразования энергии. Компания развивает и восстанавливает производство на перспективу. Меняются требования к техническому оснащению электрических сетей и характеристикам силовых трансформаторов.

Обеспечение бесперебойного электроснабжения предприятия осуществляется за счет установки второго СТ. 1-й работает постоянно. 2-й считается резервным. Периодически 1 из каждых 2 единиц оборудования выводится на капитальный ремонт, наладку, испытания сети и оборудования. Компания устанавливает 2 единицы с рабочим состоянием каждого устройства с коэффициентом нагрузки по мощности 0,7 от номинального параметра. При выходе из строя 1 рабочего устройства из 2 одно устройство постоянно переводится в дежурный режим. В процессе эксплуатации возникают: неисправности, проблемы с защитой, сбои в работе РУ, подстанций. Второй рабочий блок испытывает перегрузку по мощности в 1,4 раза, т.е его можно перегружать только на 40%.

Методики расчета

Алгоритм расчета выбора устройств достаточно прост и основан на характеристиках самих трансформаторов тока. Каждый показатель играет свою роль. Определяется оптимальное значение напряжения, коэффициент трансформации, уровень погрешности, конструкция устройства и др. Все расчеты выполняются по формулам. Коэффициент трансформации, например, должен определяться исходя из минимального и максимального значений первичного тока. С учетом данных о подключенном устройстве и установленной мощности силовых трансформаторов. Наиболее популярным является упрощенный метод расчета. Берется:

  • напряжение первичной обмотки;
  • вторичной;
  • ток вторичной обмотки;
  • ее мощность.

При наличии нескольких обмоток в качестве расчетного значения принимается их суммарное значение. Результат отображается по формуле.

ВАЖНО! Все данные, обозначения и формулы должны быть указаны в нормативной документации. Также главная рекомендация: обращайте внимание на технические аспекты, а не на стоимость.

Защиты трансформатора

Стандартные виды по ПУЭ:

  1. Токовое сохранение нулевой последовательности от внешних замыканий на землю п.3.2.63.
  2. Сохранность от токов, вызванных внешними короткими замыканиями п.3.2.64.
  3. Оперативное ускорение сохранения от токов, вызванных внешними короткими замыканиями с выдержкой времени 0,5 с п.3.2.65 (АТ подстанций, блок-генератор СТ).
  4. Газозащита дополнительного трансформатора п.3.2.71.
  5. Сохранность РПН с реле давления, отдельным газовым реле п.3.2.71.
  6. Дифференциальная токовая сохранность цепей стороны низкого напряжения (АТ) п.3.2.70 — 3.2.71.
  7. Дифференциальная сохранность от перегрузки фаз.
  8. Сохранение от внутренних повреждений: уровень + давление масла, температура обмотки, сталь стержня, наличие газов.

Условия эксплуатации трансфораторов

СТ требует высокой степени надежности при высоких значениях напряжения, мощности. Это влияет на качество работы, профилактику. Проводится полное техническое обслуживание, ремонт, проверка, наладка. Трансформаторы и оборудование находятся в месте постоянного дежурства персонала. Ежедневные графики осмотров, контрольно-измерительные приборы проверяют рабочее состояние электрической сети, трансформаторов.

Проверить показания датчиков прибора, измерить:

  • температуру;
  • давление;
  • уровень масла;
  • степень истощения влагопоглотителей;
  • состояние регенераторов масла.

датчики мониторинга

Проверить наличие утечек масла в клетке трансформатора, ОРУ, ЗРУ, механических повреждениях корпуса, фланцевых соединениях (масло, теплоноситель), радиаторах, вентиляторах, участках трубопроводов. Количество работающих вентиляторов и уровень масла в газоанализаторе контролируются при заданной нагрузке трансформатора. Каждый режим имеет свое количество работающего оборудования, параметры охлаждающей среды, газа, воды, масла. В устройствах с постоянным обслуживающим персоналом осмотры проводятся реже — 1 раз в 30 дней. Не реже одного раза в ½ года проводится осмотр трансформаторных пунктов ОРУ, ВРУ, ЗРУ.

Согласно графику обслуживания, при ТО доливается масло, непригодное трансформаторное масло заменяется новым составом. Качество масла определяется химическим лабораторным анализом. В ПУЭ и инструкциям к трансформаторам и оборудованию даются требования к маслу, внешнему осмотру, цвету. В аварийных условиях, при резком изменении температуры наружного воздуха, проводятся внеплановые проверки.

Защита также подлежит проверке. Раз в год проводится лабораторный анализ масла. Периодичность технического обслуживания приборов контроля напряжения силовых трансформаторов связана с проверкой медных контактов, окисляемости латуни. Профилактика, очистка, смазка, переборка, подтяжка динамометрическим ключом осуществляется им для снижения переходного сопротивления в контактном узле.

Для смены оксидной пленки трансформаторы отключают от электричества 2 раза за 365 дней, снимают нагрузку с них на 0, выключатели несколько раз переводят в различные регулируемые положения. Приемы смены положения проводят в осенне-зимний переходный период до максимального набора нагрузок.

Возможные неисправности и признаки нарушений работоспособности трансформаторов

Трансформаторы в процессе работы сталкиваются с различными негативными факторами. Это постоянные высокие нагрузки механическое повреждение, неблагоприятное воздействие окружающей среды. Короткие замыкания. Перегрузки, перегрев устройства и многое другое. Для работы трансформаторов также требуется создание определенных условий в помещениях, где они находятся. Регулярно анализировать рабочие процессы, проводить диагностику и своевременно устранять нарушения, не допуская поломок. Не допускается:

  • высокая температура и влажность в помещении;
  • отсутствие оптимального уровня масла;
  • работа при внутренних повреждениях.

Выявление отклонений на ранних стадиях помогут:

  • проверка нагрузки;
  • ведение «журнала» обслуживания;
  • изменение звука рабочих процессов;
  • температура;
  • высокие вибрации;
  • проверка обмотки.

Требования к распределительным устройствам: ОРУ, ЗРУ, ВРУ

Линия электропередач подключается с ввода удаленной подстанции. Распределительные устройства: ОРУ, ВРУ, ЗРУ имеют длину участка линии. СТ, ВЛ в ​​РУ защищают от перенапряжений, токов короткого замыкания. Системы снижения напряжения устанавливаются между распределительным устройством выработки электроэнергии и потребителем. В двух узлах: РУ, электроподстанции, монтируются мощные серые установки. Они предназначены для преобразования электроэнергии высокой мощности.

Промышленные включают в себя мощные установки:

  1. Силовые трансформаторы.
  2. Автотрансформаторы.

схема автотрансформатора

Транспортировка электроэнергии на большие расстояния требует снижения потерь в РУ, оборудовании и магистральной сети. Применяется метод преобразования электричества. От генераторов в СТ подается электроток. Напряжение возрастает до амплитуды линии электропередач.

Оцените статью
Блог о рациях