С открытием и началом промышленного использования электричества возникла необходимость создания систем его преобразования и доставки к потребителям. Так появились трансформаторы, о принципе действия которых и пойдет речь.

Появлению их на свет предшествовало открытие явления электромагнитной индукции великим английским физиком Майклом Фарадеем почти 200 лет назад. Позже он и его американский коллега Д. Генри нарисовали схему будущего трансформатора.

Трансформатор Фарадея

Первое воплощение идеи в железо состоялось в 1848 году с создания индукционной катушки французским механиком Г. Румкорфом. Свою лепту внесли и российские ученые. В 1872 году профессор Московского университета А. Г. Столетов открыл петлю гистерезиса и описал структуру ферромагнетика, а 4 года спустя, выдающийся российский изобретатель П. Н. Яблочков получил патент на изобретение первого трансформатора переменного тока.

Как устроен и как работает трансформатор

Трансформаторы – это название огромного «семейства», куда входят однофазные, трехфазные, понижающие, повышающие, измерительные и множество других типов трансформаторов. Основное их назначение – преобразование одного или нескольких напряжений переменного тока в другое на основе электромагнитной индукции при неизменной частоте.

Итак, кратко, как работает простейший однофазный трансформатор. Он состоит из трех основных элементов – первичной и вторичной обмоток и объединяющего их в единое целое магнитопровода, на который они как бы нанизаны. Источник подключается исключительно к первичной обмотке, в то время, как вторичная снимает и передает уже измененное напряжение потребителю.

Подключенная к сети первичная обмотка создает в магнитопроводе переменное электромагнитное поле и формирует магнитный поток, который начинает циркулировать между обмотками, индуцируя в них электродвижущую силу (ЭДС). Ее величина зависит от числа витков в обмотках. К примеру, для понижения напряжения необходимо, чтобы в первичной обмотке витков было больше, чем во вторичной. Именно по такому принципу работают понижающие и повышающие трансформаторы.

Важная особенность конструкции трансформатора состоит в том, что магнитопровод имеет стальную структуру, а обмотки, как правило имеющие форму цилиндра, изолированы от него, непосредственно не связаны друг с другом и имеют свою маркировку.

Трансформаторы напряжения

Это, пожалуй, наиболее многочисленная разновидность семейства трансформаторов. В двух словах, их основная функция – сделать произведенную на электростанциях энергию доступной для потребления различными устройствами. Для этого существует система передачи электроэнергии, состоящая из повышающих и понижающих трансформаторных подстанций и линий электропередач.

Вначале электроэнергия, произведенная электростанцией, подается на повышающую трансформаторную подстанцию (к примеру, с 12 до 500 кВ). Это необходимо для того, чтобы компенсировать неизбежные потери электроэнергии при передаче на большие расстояния.

Следующий этап – понижающая подстанция, откуда электроэнергия уже по низковольтной линии подается на понижающий трансформатор и далее к потребителю в виде напряжения 220 в.

Но на этом работа трансформаторов не заканчивается. В большинстве окружающих нас бытовых электроприборов — в ПК, телевизорах, принтерах, стиральных машинах-автоматах, холодильниках, микроволновых печах, DVD и даже в энергосберегающих лампочках установлены понижающие трансформаторы. Пример индивидуального «карманного» трансформатора – зарядное устройство мобильного телефона (смартфона).

Гигантскому разнообразию современных электронных устройств и выполняемых ими функций соответствует множество различных типов трансформаторов. Это далеко не полный их список: силовые, импульсные, сварочные, разделительные, согласующие, вращающиеся, трехфазные, пик-трансформаторы, трансформаторы тока, тороидальные, стержневые и броневые.

Какие они, трансформаторы будущего

Считается, что трансформаторная отрасль весьма консервативна. Тем не менее и ей приходится считаться с революционными изменениями в области электротехники, где все громче о себе заявляют нанотехнологии. Как и множество других устройств, они постепенно «умнеют».

Активно ведется поиск новых конструкционных материалов – изоляционных и магнитных, способных обеспечить более высокую надежность трансформаторного оборудования. Одним из направлений может стать использование аморфных материалов, что значительно повысит его пожарную безопасность и надежность.

Появятся взрыво- и пожаробезопасные трансформаторы, в которых хлордифенилы, используемые для пропитки электроизоляционных материалов, будут заменены нетоксичными жидкими, экологически безопасными диэлектриками.

Примером тому — элегазовые силовые трансформаторы, где функцию хладагента выполняет негорючий элегаз гексафторид серы, вместо далеко не безопасного трансформаторного масла.

Вопрос времени – создание «умных» электросетей, оснащенных полупроводниковыми твердотельными трансформаторами с электронным управлением, с помощью которых появится возможность регулировать напряжение в зависимости от потребностей потребителей, в частности, подключать к домашней сети возобновляемые и промышленные источники питания, или наоборот отключать лишние, когда в них нет необходимости.

Еще одно перспективное направление – низкотемпературные сверхпроводимые трансформаторы. Работа по их созданию началась еще в 60-е годы. Главная проблема, с которой столкнулись ученые – огромные размеры криогенных систем, необходимых для изготовления жидкого гелия. Все изменилось в 1986 году, когда были открыты сверхпроводниковые высокотемпературные материалы. Благодаря им, появилась возможность отказаться от громоздких охлаждающих устройств.

Сверхпроводимые трансформаторы обладают уникальным качеством: при высокой плотности тока потери в них минимальны, зато, когда ток достигает критических значений, сопротивление от нулевого уровня резко увеличивается.

Вопрос, что такое трансформатор, для опытных и даже начинающих электриков совершенно простой. Но обычные обыватели, которые с электрикой не дружат, даже и не представляют, как выглядит трансформатор, для чего он необходим, а тем более, не осведомлены о его конструкции и принципе работы. Поэтому в этой статье будем разбираться с этим прибором, рассмотрим вопрос, а можно ли сделать трансформатор своими руками, и так далее. Итак, трансформатор – это электромагнитное устройство, которое может изменять напряжение переменного тока (увеличивать или уменьшать).

Итак, конструкция трансформатора достаточно проста и состоит из сердечника и двух катушек из медной проволоки. В основе принципа работы лежит электромагнитная индукция. Чтобы вы поняли, как работает этот прибор, рассмотрим, как магнитное поле, образуемое в катушках (обмотках) устройства, изменяет показатель напряжения.

Подаваемый на первую обмотку электрический ток (он переменный, поэтому изменяется по направлению и величине) образует в катушке магнитное поле (оно также переменное). В свою очередь магнитное поле образует во второй катушке электрический ток. Такой своеобразный обмен параметрами. Но просто так изменение напряжения не произойдет, оно зависит от того, сколько витков медной проволоки в каждой обмотке. Конечно, величина изменения магнитного поля (скорость) также влияет на величину напряжения.

Что касается количества витков, то получается так:

• если число витков в первичной катушке больше, чем во вторичной, то это понижающий трансформатор;
• и, наоборот, если количество витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной, то это повышающий трансформаторный прибор.

Поэтому существует формула, которая определяет так называемый коэффициент трансформации. Вот она:

k=w1/w2, где w – это число витков в катушке с соответствующим номером.

Внимание! Любой трансформатор может быть и понижающим, и повышающим, все зависит от того, к какой обмотке (катушке) подсоединяется питающий кабель сети переменного тока.

И еще один момент, касающийся устройства. Это сердечник трансформатора. Все дело в том, что существуют разные виды этого устройства, в которых сердечник присутствует или отсутствует.

• Так вот, в тех видах, где сердечник трансформатора отсутствует или изготовлен из феррита или альсифера называются высокочастотными (выше 100 кГц).
• Приборы с сердечником из стали, феррита или пермаллои – низкочастотные (ниже 100 кГц).

Первые используются в радио- и электросвязи. Вторые в для усиления звуковых частот, к примеру, в телефонии. Со стальным сердечником используется в электротехнике (в бытовых приборах в том числе).

Условные обозначения и параметры

Приобретая трансформатор, необходимо понимать, что написано на его корпусе или в сопроводительных документах. Ведь существует определенная маркировка трансформаторов, которые определяют его назначение. Основное, на что необходимо обратить внимание, до какого показателя этот прибор может снизить напряжение. К примеру, 220/24 говорит о том, что на выходе получится ток напряжением 24 вольта.

А вот буквенные обозначения чаще всего говорят о типе устройства. Кстати, имеется в виду буквы, стоящие после цифр. К примеру, О или Т – одно- или трехфазный соответственно. То же самое можно сказать о количестве обмоток, о типе охлаждения, о способе и месте установки (внутренние, наружные и прочее).

Что касается параметров трансформатора, то существует определенный стандартный ряд, который и определяет характеристики прибора. Их несколько:

• Напряжение в первичной катушке.
• Напряжение во вторичной катушке.
• Первичная сила тока.
• Вторичная сила тока.
• Общая мощность аппарата.
• Коэффициент трансформации.
• Коэффициент мощности и нагрузки.

Есть так называемая внешняя характеристика трансформатора. Это зависимость вторичного напряжения от вторичной силы тока, при условии, что сила тока первичной обмотки будет номинальной, а cos φ= const. По-простому – чем выше сила тока, тем ниже напряжение. Правда, второй параметр изменяется всего лишь на несколько процентов. При этом внешняя характеристика трансформатора определяется относительными характеристиками, а именно коэффициентом загрузки, который определяется по формуле:

K=I2/I2н, где второй показатель силы – это сила тока при номинальном напряжении.

Конечно, характеристики трансформатора – это достаточно большой ряд всевозможных показателей, от которых зависит сама работа прибора. Здесь и мощность потерь, и внутреннее сопротивление в обмотке.

Как сделать самостоятельно

Итак, как сделать трансформатор самому? Зная, принцип работы установки и его конструктивные особенности, можно собрать своими руками простейший аппарат. Для этого вам понадобится любое металлическое кольцо, на котором надо накрутить два участка обмотки. Самое важно – обмотки не должны касаться друг друга, а место их намотки не зависит конкретно от их расположения. То есть, они могут быть размещена напротив друг друга или рядом. Важно – даже небольшое расстояние между ними.

Внимание! Трансформатор работает только от сети переменного тока. Так что не стоит подключать к вашему устройству батарейку или аккумулятор, где присутствует ток постоянный. Работать от этих источников электроэнергии он не будет.

Как уже было сказано выше, количество витков в обмотках определяет, какой прибор вы собираете – понижающий или повышающий. К примеру, если вы на первичной обмотке соберете 1200 витков, а на вторичной всего лишь 10, то на выходе вы получите напряжение 2 вольта. Конечно, при подключении первичной катушки к напряжению 220-240 вольт. Если фазировка трансформатора будет заменена, то есть, провести подсоединение 220 вольт к вторичной обмотке, то на выходе первичной получится ток напряжением 2000 вольт. То есть, к назначению трансформатора надо подходить осторожно, учитывая тот самый коэффициент трансформации.

Как правильно подключить

Что касается монтажа трансформатора, особенно его понижающего типа в быту дома, то необходимо знать некоторые нюансы проводимого процесса.

• Во-первых, это касается самого устройства. При монтаже трансформатора иногда появляется необходимость подключения не одного потребителя, а сразу нескольких. Поэтому обращайте внимание на количество выходных клемм. Конечно, необходимо знать, что суммарная потребляемая мощность потребителей не должна быть больше мощности самого трансформаторного устройства. Во всяком случае, специалисты рекомендуют, чтобы второй показатель был всегда больше первого на 15-20%.
• Во-вторых, подключение трансформатора производится электрической проводкой. Так вот ее длина и до прибора, и после не должна быть очень большой. К примеру, понижающий аппарат для светодиодного освещения предполагает наличие проводки от него до светильников не больше двух метров. Это позволит избежать больших потерь мощности.

Внимание! Нельзя процесс монтажа трансформатора проводить и в том случае, если потребляемая мощность потребителей будет меньше мощности самого агрегата.

• В-третьих, место установки электрического понижающего прибора должно быть выбрано правильно. Самое важное, чтобы до него всегда можно было бы добраться просто, особенно когда есть необходимость провести демонтаж со следующей заменой и монтажом трансформатора. Поэтому перед тем как подключить трансформатор, необходимо определиться с его местом установки.

Схема замещения

Буквально несколько слов о том, что такое схема замещения трансформатора. Начнем с того, что две катушки соединены между собой магнитным полем, поэтому проанализировать работы трансформатора, а тем более его характеристики, очень сложно. Поэтому для этих целей сам прибор заменяют моделью, которая и называется схема замещения трансформатора.

По сути, все переводится на математический уровень, а точнее, в уравнения (токов и электрического состояния). Здесь важно, чтобы все уравнения, касающиеся прибора и его модели, совпадали. Кстати, для многих схема замещения трансформатора достаточно сложна, поэтому существует упрощенный вариант, в котором нет тока холостого хода, ведь на него приходится незначительная часть.

Фазировка

Фазировка трансформатора – это испытание его выходов, когда в одну цепь подключены несколько приборов параллельно. Ведь обязательное условие эффективной работы цепи с отсутствием больших потерь мощности – это правильное соединение фаз между собой, чтобы образовался замкнутый контур.

Если фазы не совпадут, то падает мощности и растет нагрузка. Если не совпадает чередование фаз, то произойдет короткое замыкание.

Заключение по теме

Итак, был сделан небольшой обзор всего, что касается трансформаторных установок, поэтому будем считать, что вопрос, зачем нужны трансформаторы, исчерпан, хотя и не полностью. Об этом приборе можно говорить долго. К примеру, самые простые варианты: как разобрать трансформатор, как прозвонить его, как подключить или демонтировать самому дома.

Трансформатор – статический электромагнитный аппарат для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, той же частоты. Трансформаторы применяют в электрических цепях при передаче и распределении электрической энергии, а также в сварочных, нагревательных, выпрямительных электроустановках и многом другом.

Трансформаторы различают по числу фаз, числу обмоток, способу охлаждения. В основном используются силовые трансформаторы, предназначенные для повышения или понижения напряжения в электрических цепях.

Устройство и принцип работы

Схема однофазного двухобмоточного трансформатора представлена ниже.

На схеме изображены основные части: ферромагнитный сердечник, две обмотки на сердечнике. Первая обмотка и все величины которые к ней относятся (i1-ток, u1-напряжение, n1-число витков,Ф1 – магнитный поток) называют первичными, вторую обмотку и соответствующие величины - вторичными.

Первичную обмотку включают в сеть с переменным напряжением, её намагничивающая сила i1n1 создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф, который сцеплен с обеими обмотками и в них индуцирует ЭДС e1= -n1 dФ/dt, e2= -n2dФ/dt. При синусоидальном изменении магнитного потока Ф = Фm sinωt , ЭДС равно e = Em sin (ωt-π/2). Для того чтобы посчитать действующее значение ЭДС нужно воспользоваться формулой E=4.44 f n Фm, где f- циклическая частота, n – количество витков, Фm – амплитуда магнитного потока. Причем если вы хотите посчитать величину ЭДС в какой либо из обмоток, нужно вместо n подставить число витков в данной обмотке.

Из приведенных выше формул можно сделать вывод о том, что ЭДС отстает от магнитного потока на четверть периода и отношение ЭДС в обмотках трансформатора равно отношению чисел витков E1/E2=n1/n2.

Если вторая обмотка не находится под нагрузкой, значит трансформатор находится в режиме холостого хода. В этом случае i2 = 0, а u2=E2, ток i1 мал и мало падение напряжения в первичной обмотке, поэтому u1≈E1 и отношение ЭДС можно заменить отношением напряжений u1/u2 = n1/n2 = E1/E2 = k. Из этого можно сделать вывод, что вторичное напряжение может быть меньше или больше первичного, в зависимости от отношения чисел витков обмоток. Отношение первичного напряжения ко вторичному при холостом ходе трансформатора называется коэффициентом трансформации k.

Как только вторичная обмотка подключается к нагрузке, в цепи возникает ток i2, то есть совершается передача энергии от трансформатора, который получает ее из сети, к нагрузке. Передача энергии в самом трансформаторе происходит благодаря магнитному потоку Ф.

Обычно мощность на выходе и мощность на входе приблизительно равны, так как трансформаторы являются электрическими машинами с довольно высоким КПД, но если требуется произвести более точный расчет, то КПД находиться как отношение активной мощности на выходе к активной мощности на входе η = P2/P1.

Магнитопровод трансформатора представляет собой закрытый сердечник собранный из листов электротехнической стали толщиной 0,5 или 0,35мм. Перед сборкой листы с обеих сторон изолируют лаком.

По типу конструкции различают стержневой (Г-образный) и броневой (Ш-образный) магнитопроводы. Рассмотрим их структуру.

Стержневой трансформатор состоит из двух стержней, на которых находятся обмотки и ярма, которое соединяет стержни, собственно, поэтому он и получил свое название. Трансформаторы этого типа применяются значительно чаще, чем броневые трансформаторы.

Броневой трансформатор представляет собой ярмо внутри которого заключается стержень с обмоткой. Ярмо как бы защищает стержень, поэтому трансформатор называется броневым.

Обмотка

Конструкция обмоток, их изоляция и способы крепления на стержнях зависят от мощности трансформатора. Для их изготовления применяют медные провода круглого и прямоугольного сечения, изолированные хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой. Обмотки должны быть прочными, эластичными, иметь малые потери энергии и быть простыми и недорогими в изготовлении.

Охлаждение

В обмотке и сердечнике трансформатора наблюдаются потери энергии, в результате которых выделяется тепло. В связи с этим трансформатору требуется охлаждение. Некоторые маломощные трансформаторы отдают свое тепло в окружающую среду, при этом температура установившегося режима не влияет на работу трансформатора. Такие трансформаторы называют “сухими”, т.е. с естественным воздушным охлаждением. Но при средних и больших мощностях, воздушное охлаждение не справляется, вместо него применяют жидкостное, а точнее масляное. В таких трансформаторах обмотка и магнитопровод помещены в бак с трансформаторным маслом, которое усиливает электрическую изоляцию обмоток от магнитопровода и одновременно служит для их охлаждения. Масло принимает теплоту от обмоток и магнитопровода и отдает ее стенкам бака, с которых тепло рассеивается в окружающую среду. При этом слои масла имеющие разницу в температуре циркулируют, что улучшает теплообмен. Трансформаторам с мощностью до 20-30 кВА хватает охлаждения бака с гладкими стенками, но при больших мощностях устанавливаются баки с гофрированными стенками. Также нужно учитывать что при нагреве масло имеет свойство увеличиваться в объеме, поэтому в высокомощных трансформаторах устанавливают резервные баки и выхлопные трубы (в случае если масло закипит, появятся пары которым нужен выход). В трансформаторах меньшей мощности ограничиваются тем, что масло не заливают до самой крышки.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ВИДЫ И ТИПЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

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

Автотрансформаторы.

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

Импульсные трансформаторы.

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

Разделительный трансформатор.

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

Пик-трансформатор.

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

Стоит выделить способ классификации трансформаторов по способу их охлаждения.

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

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

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

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

К основным техническим характеристиками трансформаторов можно отнести:

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

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

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

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

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

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

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

В зависимости от назначения трансформаторы делят на:

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

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

Тока.

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

В зависимости от выполняемых функций различают следующие виды:

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

Напряжения.

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

© 2012-2019 г. Все права защищены.

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

Трансформатор (преобразовывать, трансформировать ) представляет собой электромагнитное устройство статического типа, содержащее две или более обмотки, связанные индуктивно. С помощью метода электромагнитной индукции преобразует переменный ток в постоянный. Состоит из проволочных изолированных или ленточных катушек (обмоток), подвергающихся воздействию магнитного общего потока , намотанных на сердечник из ферромагнитного мягкого материала.

Немного об этапах развития

При производстве трансформаторов используют свойства материалов: металлические, магнитные, неметаллические. Для производства современного оборудования применили свои знания и открытия многие исследователи прошлых лет. А. Г. Столетов выявил петлю гистерезиса и особенную структуру ферромагнитного сплава. Теорию электромагнитных цепей разработали Братья Гопкинсоны.

Электромагнитная индукция открыта М. Фарадеем, это явление заложено в основу действия трансформатора. Схема первого трансформатора впервые появилась в работах Генри и Фарадея в 1831 году. Но ученые тогда еще не рассматривали прибор в качестве преобразователя переменного тока.

Француз-механик в 1848 году запатентовал индукционную катушку, которая стала прообразом трансформатора. В 1876 году впервые изобрел трансформатор Яблочков П. Н . , прибор представлял собой стержень с несколькими обмотками. Трансформаторы, имеющие замкнутые сердечники, были сконструированы братьями Гопкинсами в 1884 году.

С применением масляного охлаждения прибор стал выполнять свои функции более надежно. Устройство помещалось в сосуды из керамики с маслом, это вело к повышению надежности обмоток. Русский изобретатель механик Доливо-Добровольский М. О. сконструировал первый трехфазный двигатель асинхронного типа, трехфазную систему переменного тока и впервые сделал трёхфазный трансформатор с мощностью 230 КВт, работающий от напряжения 5 В.

Силовые трансформаторы начали выпускать в 1928 году с открытием Московского завода трансформаторов. В начале 1900 годов английский металлург сделал первую тонну трансформаторной стали для производства сердечников. А в начале 30-х годов XX века отмечено появление магнитного насыщения на 50%, уменьшение потерь на гистерезис в 4 раза, возрастание магнитной проницаемости в 5 раз при комбинированном применении нагревания и прокатки.

Виды трансформаторов

Автотрансформатор

Это вариант трансформатора, принцип работы которого заключается в соединении вторичной и первичной обмотки напрямую, в обмотках прослеживается электрическая и электромагнитная связь. Для подключения и получения различного напряжения в обмотке предусмотрено несколько выводов. Этот вид приборов работает с высоким коэффициентом полезного действия, так как преобразовывается только некоторая часть мощности, что важно при небольшой разнице входного и выходного напряжения.

К отрицательным характеристикам относится отсутствие гальванической развязки (изолирующего слоя) между вторичной и первичной цепью. Используют автотрансформаторы на месте обычных агрегатов для соединения заземленных контуров с показателями напряжения от 110 КВт, при этом коэффициент трансформации не должен превышать показание 3−4.

Положительным является низкая стоимость из-за меньшего веса сердечнниковой стали, медных проводов, отсюда маленькая масса прибора и небольшие габариты.

Силовой

Обычный стандартный прибор для преобразования электричества в сетях и устройствах, принимающих и использующих электрическую энергию.

Принцип работы и устройство трансформатора 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.

Это прибор для преобразования больших показателей напряжения в низкие значения в стандартных цепях, измерительных линиях, и контурах РЗиА. Устройство питается от источника электрического напряжения, изолирует логические защитные контуры и измерительные цепи от цепи с высокими показателями напряжения.

Импульсного действия

Прибор используется для преобразования сигналов импульса с минимальным искажением формы и длительностью до десятков микросекунд. В основном применяется для передачи импульса прямоугольного типа (наиболее крутой срез и фронт, примерно постоянное колебание амплитуды). Служит для преобразования коротких видеоимпульсов, постоянно повторяющихся, основной задачей является передача трансформируемых импульсов в первоначальном и неискаженном виде. На выходе обмоток требуется получить ту же форму импульса напряжения, но иногда меняется полярность или амплитуда.

Разделительный тип

У этого прибора первичная и вторичная обмотки никак не связаны. Трансформатор используется для увеличения безопасного подключения к электрическим сетям, для случаев одновременного прикасания к токоведущим деталям и земле. Защищает от одновременного прикасания к деталям, которые не находятся под действием тока, но могут под ним оказаться в результате нарушения изоляции. Агрегаты призваны обеспечить гальваническую развязку (изоляцию) электрических цепей.

Пик-трансформатор

Служит для преобразования синусоидального тока в импульсное напряжение с полярностью, меняющейся через каждые полпериода.

Сдвоенный дроссель

Индуктивный встречный фильтр или сдвоенный дроссель представляет собой тип устройства с использованием двух обмоток. Из-за взаимной катушечной индукции он действует эффективнее, чем одинарный дроссель. Используется в качестве входного фильтровального приспособления перед блоками питания, в сигнальных дифференциальных цифровых контурах и в технике со звуком.

Броневой трехфазный

Выпускают две различных базовых конструкции:

• стержневую;
• броневую.

Обе конструкции не изменяют эксплуатационные качества и надежность прибора, но при изготовлении имеются существенные различия:

• стержневой тип включает сердечник и обмотки, при взгляде на конструкцию сердечник скрыт за обмотками, видно только нижнее и верхнее ярмо, ось обмоток имеет вертикальное расположение;
• броневой вид прибора включает сердечник в виде обмоток, при этом видно, что сердечник скрывает за собой часть обмоток трансформатора, ось обмоток может располагаться в вертикальном или горизонтальном положении.

Основные составляющие

В их качестве вступают:

• магнитная система (сердечник, магнитопровод);
• обмотки;
• охладительная система.

Магнитная система

Состоит из элементов в комплекте, чаще всего применяются пластины из ферромагнитного материала или электротехнических сталей, которые компонуются в определенной геометрической форме. Ее выбор определяется локализацией в ней основного трансформаторного магнитного поля. Система магнитного воздействия одновременно со всеми узлами, элементами и деталями для соединения частей в общую конструкцию, носит название остова трансформатора.

Часть магнитной системы, включающая основные обмотки, называется стержнем. Другая часть магнитного комплекта, на которой нет рабочих обмоток, и она служит для соединения магнитной цепи, имеет наименование ярмо. В зависимости от того, как расположены стержни, подразделяют:

• плоская система, где продольные стержни и ярма расположены в одной плоскости;
• пространственная система включает разно плоскостное расположение сердечников и ярм;
• симметричная система отличается одинаковой формой и длиной стержней, а их расположение по отношению к ярмам является стандартным для всех элементов;
• несимметричная система, в ней все стержни различаются по форме и размеру, а их расположение не отличается симметрией и отлично от других элементов.

Обмотки

Основным конструктивным элементом обмотки служит виток, являющийся рядом параллельных соединенных проводников (в многопроволочном варианте жилы), один раз охватывающий часть магнитного сердечника. Ток витка совместно с током других витков, проводников и частей трансформатора продуцирует магнитное трансформаторно поле, в котором наводится под действием магнитного поля сила, движущая ток.

Обмоткой называется общее число витков, образующих электрический контур для суммирования ЭДС в витках. Трехфазный трансформатор имеет в конструкции комплект обмоток из трех рабочих фаз. Проводник обычно квадратного сечения, чтобы увеличить площадь его делят на два или несколько проводящих стержня. Этот прием помогает снизить вихревые токи и облегчить работу обмотки. Квадратный проводник называется жилой. В качестве обмотки используется транспонированный кабель.

Изоляцию делают бумажной обмоткой или лаком на эмалевой основе. Две параллельные жилы могут выполняться в единой изоляции, такой комплект называется кабелем. Чтобы понять, как работает трансформатор, нужно знать разделение обмоток по типам. В зависимости от назначения обмотки бывают:

• основные, те, что принимают преобразованную энергию или отводят переменный ток;
• регулирующие предусмотрены для нормализации коэффициента напряжения при небольших показаниях тока в обмотках;
• вспомогательные предназначены для электрического снабжения собственных нужд меньшей мощности, чем номинальная трансформаторная мощность, подмагничивания магнитной системы током постоянного значения.

В зависимости от варианта исполнения обмотки делят:

• рядовые - витки делаются по всей длине в направлении оси, последующие витки наматывают плотно, без пробелов;
• винтовые - имеют многослойное наложение, предусмотрены расстояния между витками или заходами обмотки;
• дисковые обмотки содержат последовательно соединенные диски, при этом в центр каждого наматывается обмотка в форме спирали;
• фольговый вид обмотки выполнен из листа алюминия или меди, разной толщины.

Бак для охлаждения

Представляет собой масляный резервуар, обеспечивает защиту активного ингредиента, служит опорой для приборов управления и вспомогательных приборов. Перед добавлением масла в баке выкачивают воздух для безопасной диэлектрической прочности изоляции. При изготовлении звуковые частоты от сердечника трансформатора и от элементов бака должны совпадать.

Конструкция предусматривает дополнительные параметры для расширения масла в условиях нагревания, иногда это дополнительный расширительный бак. Если увеличивается номинальная мощность трансформатора, то токи внутри и снаружи ведут к перегреву конструкции. Аналогично действует магнитный рассеянный поток внутри бака. Чтобы снизить отрицательное воздействие делают вставки из немагнитных материалов, окружая ими проходные сильноточные изоляторы.

Применение трансформаторов

Так как потери для нагревания провода пропорциональны силе тока в квадрате, идущему по этому проводу, то при передаче электричества на длинные расстояния следует применять высокое напряжение при низкой силе тока. Из-за обеспечения безопасности в бытовых условиях не применяют слишком высокое напряжение. Для регулировки напряжения в сети используют трансформаторы, которые повышают напряжение перед передачей по высоковольтным линиям, затем снижение показателей перед потребительским применением.

Для питания различных узлов приема электроэнергии требуются разнообразные показатели напряжения (в телевизоре, компьютере). В прошлых периодах трансформатор был тяжелым и громоздким, но с увеличением частоты переменного тока размеры прибора можно уменьшить. Поэтому в современных устройствах сначала выпрямляют электрический ток, затем его преобразуют в импульсы с высокой частотой. Последние токи идут на импульсный трансформатор для трансформации в нужное напряжение.