Добавить сайт в закладки

Как действует трансформатор?

Трансформатор - это статический (т. е. без движущихся ча­стей) электромагнитный аппарат однофазный или трехфазный, в котором явление взаимоиндукции используется для преобразо­вания электрической энергии. Трансформатор преобразует пере­менный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения.

Трансформатор имеет несколько электрических, изолированных одна от другой обмоток: однофазный - не менее двух, трехфазный - не менее шести.

Обмотки, соединенные с источником электроэнер­гии, именуются первичными; остальные обмотки, отдающие энергию во внешние цепи, называются вторичными. На рисунке внизу схематически показаны первичная и вторичная обмотки од­нофазного трансформатора; они снабжены общим замкнутым сердечником, собранным из листовой электротехнической стали.

Ферромагнитный сердечник служит для усиления магнитной связи между обмотками, т. е. для того, чтобы большая часть магнитного потока первичной обмотки сцеплялась с витками вторичной обмотки.На рис. справа показан сердечник и шесть обмоток трехфазного трансформатора. Эти обмотки соединяются по схеме звезды или треугольника.

Для улучшения условий охлаждения и изоляции трансформа­тор помещается в бак, заполненный минеральным маслом (про­дуктом перегонки нефти). Это так называемый масляный трансформатор.

При частоте переменного тока примерно свыше 20 кГц приме­нение стального сердечника в трансформаторах нецелесообразно из-за больших потерь в стали от гистерезиса и вихревых токов.

Для высоких частот применяются трансформаторы без фер­ромагнитных сердечников - воздушные трансформа­торы.

Если напряжение на зажимах первичной обмотки, первич­ное напряжение U1, меньше вторичного напряжения U 2, то транс­форматор называется повышающим. Если же первичное на­пряжение больше вторичного, то - понижающим (U1>U2). В соответствии с относительной величиной номинального напря­жения принято различать обмотку высшего на­пряжения (ВН) и обмотку низшего напряжения (НН).

Познакомимся кратко с работой однофазного двухобмоточного трансфор­матора со стальным сердеч­ником. Его рабочий процесс и электрические соотноше­ния можно считать харак­терными в основном для всех видов трансформато­ров.

Напряжение U1, приложенное к зажи­мам первичной обмотки, создает в этой обмотке пе­ременный ток i1.Ток воз­буждает в сердечнике транс­форматора переменный маг­нитный поток Ф. Вследствие периодического изменения этого потока в обеих обмотках трансформатора индуктируются ЭДС.

е1= - w1 (?ф: ?t) и e2= - w2 (?ф:?t), где

w1 и w2 - количество витков той и другой обмоток.

Таким образом, отношение ЭДЕ, индуктируемых в обмотках, равно отношению чисел витков этих обмоток:

е1: e2 = w1: w2

Это коэффициент трансформации трансформатора.

Коэффициент полезного действия трансформатора относи­тельно очень высок, в среднем порядка 98%, что позволяет при номинальной нагрузке считать приближенно одинаковыми первичную мощность, получаемую трансформатором, и вторичную мощность, им отдаваемую, т. е. p1 ? p2 или u1i1 ? u2i2, на основании чего

i1: i2? u2: u1? w 2: w 1

Это отношение мгновенных значений токов и напряжений справедливо и для амплитуд, и для действующих значений:

L1: l2? w 2: w 1?u2: u1,

т. е. отношение токов в обмотках трансформатора (при нагрузке, близкой к номинальной) можно считать обратным отношению напряжений и числу витков соответствующих обмоток. Чем меньше нагрузка, тем больше влияет ток холостого хода, и приведенное приближенное соотношение токов нарушается.

При работе трансформатора совершенно различна роль ЭДС в его первичной и вторичной обмотках. ЭДС, ей индуктируемая в первичной обмотке, возникает как противодействие цепи изменению в ней тока i1. По фазе эта ЭДС почти противоположна напряжению.

Как в цепи, содержащей индуктивность, ток в первичной о б м о тке трансформатора

i1=(u1 + e1) : r1,

где г 1 - активное сопротивление первичной обмотки.

Отсюда получаем уравнение для мгновенного значения первичного напряжения:

u1 = -e1 + i1r1 = w t(?ф: ?t) + i1r1,

которое можно прочитать как условие электрического равновесия: приложенное к зажимам первичной обмотки напряжение u1 всегда уравновешивается ЭДС и падением напряжения в активном сопротивлении обмотки (второй член относительно весьма мал).

Иные условия имеют место во вторичной цепи. Здесь ток i2 создается ЭДС e1, играющей роль ЭДС источника тока, и при активной нагрузке r/н во вторичной цепи этот ток

i2= l2: (r2 +r/н),

где r2- активное сопротивление вторичной обмотки.

В первом приближении воздействие вторичного тока i2 на первичную цепь трансформатора можно описать следующим образом.

Ток i2, проходя по вторичной обмотке, стремится создать в сердечнике трансформатора магнитный поток, определяемый намагничивающей силой (НС) i2w2. Согласно принципу Ленца, этот поток должен иметь направление, обратное направлению главного потока. Иначе можно сказать, что вторичный ток стре­мится ослабить индуктирующий его магнитный поток. Однако такое уменьшение главного магнитного потока Ф т нарушило бы электрическое равновесие:

u 1 = (-е 1) + i1r1,

так как e1 пропорционально магнитному потоку.

Создается пре­обладание первичного напряжения U1, поэтому одновременно с появлением вторичного тока увеличивается первичный ток, при­том настолько, чтобы компенсировать размагничивающее дей­ствие вторичного тока и, таким образом, сохранить электрическое равновесие. Следовательно, всякое изменение вторичного тока должно вызвать соответствующее изменение первичного тока, при этом ток вторичной обмотки, благодаря относительно малому значению составляющей i1r1, почти не влияет на амплитуду и характер изменений во времени главного магнитно­го потока трансформатора. Поэтому амплитуду этого по­тока Ф т можно считать практически постоянной. Такое постоян­ство Фт характерно для режима трансформатора, у которого поддерживается неизменным напряжение U1, приложенное к зажимам первичной обмотки.

Человеку, мало знакомому с электрикой сложно представить себе, что такое трансформатор, где он задействован, назначение элементов его конструкции.

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:

• обмотка;
• каркас;
• магнитопровод (сердечник);
• охлаждающая система;
• изоляционная система;
• дополнительные части, необходимые в защитных целях, для установки, обеспечения подхода к выводящим частям.

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:

• броневой;
• тороидальной;
• стержневой.

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.

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 по видам

Силовые

Силовой трансформатор переменного электротока — это прибор, использующийся в целях трансформирования электроэнергии в подводящих сетях и электроустановках значительной мощности.

Необходимость в силовых установках объясняется серьезным различием рабочих напряжений магистральных линий электропередач и городских сетей, приходящих к конечным потребителям, требующимся для функционирования работающих от электроэнергии машин и механизмов.

Автотрансформаторы

Устройство и принцип работы трансформатора в таком исполнении подразумевает прямое сопряжение первичной и вторичной обмоток, благодаря этому одновременно обеспечивается их электромагнитный и электрический контакт. Обмотки устройств имеют не менее трех выводов, отличающихся своим напряжением.

Основным достоинством этих приборов следует назвать хороший КПД, потому как преобразуется далеко не вся мощность — это значимо для малых расхождениях напряжений ввода и вывода. Минус — неизолированность цепей трансформатора (отсутсвтие разделения) между собой.

Трансформаторы тока

Данным термином принято обозначать прибор, запитанный непосредственно от поставщика электроэнергии, применяющийся в целях понижения первичного электротока до подходящих значений для использующихся в измеряющих и защитных цепях, сигнализации, связи.

Первичная обмотка трансформаторов электротока, устройство которых предусматривает отсутствие гальванических связей, подключается к цепи с подлежащим определению переменным электротоком, а электроизмерительные средства подсоединяются к вторичной обмотке. Текущий по ней электроток примерно соответствует току первичной обмотки, поделенному на коэффициент трансформирования.

Трансформаторы напряжения

Назначение этих приборов — снижение напряжения в измеряющих цепях, автоматики и релейной защиты. Такие защитные и электроизмерительные цепи в устройствах различного назначения отделены от цепей высокого напряжения.

Импульсные

Данные виды трансформаторов необходимы для изменения коротких по времени видеоимпульсов, как правило, имеющих повторение в определенном периоде со значительной скважностью, с приведенным к минимуму изменением их формы. Цель использования — перенос ортогонального электроимпульса с наиболее крутым срезом и фронтом, неизменным показателем амплитуды.

Главным требованием, предъявляющимся к приборам данного типа, является отсутствие искажений при переносе формы преобразованных импульсов напряжения. Действие на вход напряжения какой-либо формы обуславливает получение на выходе импульса напряжения идентичной формы, но, вероятно, с другим диапазоном либо измененной полярностью.

Разделительные

Что такое трансформатор разделительный становится понятно исходя из самого определения — это прибор с первичной обмоткой, не связанной электрически (т.е. разделенной) с вторичными.

Существует два типа таких устройств:

• силовые;
• сигнальные.

Силовые применяются с целью улучшения надежности электросетей при непредвиденном синхронном соединении с землей и токоведущими частями, либо элементами нетоковедущими, оказавшимися из-за нарушения изоляции под напряжением.

Сигнальные применяются в целях обеспечения гальванической развязки электроцепей.

Согласующие

Как работает трансформатор данного вида также понятно из его названия. Согласующими называются приборы, применяющиеся с целью согласования между собой сопротивления отдельных элементов электросхем с приведенным к минимуму изменением формы сигнала. Также устройства такого типа используются для исключения гальванических взаимодействий между отдельными частями схем.

Пик-трансформаторы

Принцип действия пик-трансформаторов базируется на преобразование характера напряжения, от входного синусоидального в импульсное. Полярность после перехода изменяется по прошествии половины периода.

Сдвоенный дроссель

Его азначение, устройство и принцип действия, как трансформатора, абсолютно идентичны приборам с парой подобных обмоток, которые, в данном случае, абсолютно одинаковы, намотанны встречно или согласованно.

Также часто можно встретить такое наименование данного устройства, как встречный индуктивный фильтр. Это говорит о сфере применения прибора – входная фильтрация напряжения в блоках питания, звуковой технике, цифровых приборах.

Режимы работы

Холостой ход (ХХ)

Такой порядок работы реализуется от размыкания вторичной сети, после чего в ней прекращается течение электротока. В первичной обмотке течет ток холостого хода, составной его элемент — ток намагничивающий.

Когда вторичный ток равен нулю, электродвижущая сила индукции в первичной обмотке целиком возмещает напряжение питающего источника, а потому при пропаже нагрузочных токов, идущий сквозь первичную обмотку ток по своему значению соответствует току намагничивающему.

Функциональное назначение работы трансформаторов вхолостую — определение их важнейших параметров:

• показателя трансформирования;
• потерь в магнитопроводе.

Режим нагрузки

Режим характеризуется функционированием устройства при подаче напряжения на вводы первичной цепи и подключении нагрузки во вторичной. Нагружающий ток идет по «вторичке», а в первичной — суммарный ток нагрузки и ток холостой работы. Этот режим функционирования считается для прибора преобладающим.

На вопрос, как работает трансформатор в основном режиме, отвечает основной закон ЭДС индукции. Принцип таков: подача нагрузки к вторичной обмотке вызывает образование во вторичной цепи магнитного потока, образующего в сердечнике нагружающий электроток. Направлен он в сторону, противоположную его течению, создающегося первичной обмоткой. В первичной цепи паритет электродвижущих сил поставщика электроэнергии и индукции не соблюдается, в первичной обмотке осуществляется повышение электротока до того времени, пока магнитный поток не вернется к своему исходному значению.

Короткое замыкание (КЗ)

Переход прибора в этот режим осуществляется при кратковременном замыкании вторичной цепи. Короткое замыкание — особый тип нагрузки, прилагаемая нагрузка — сопротивление вторичной обмотки — единственная.

Принцип работы трансформатора в режиме КЗ таков: к первичной обмотке приходит незначительное переменное напряжение, выводы вторичной соединяются накоротко. Напряжение на входе устанавливается с таким расчетом, чтобы величина замыкающего тока соответствовала величине номинального электротока устройства. Величина напряжения определяет энергопотери, приходящиеся на разогрев обмоток, а также на активное сопротивление.

Такой режим характерен для приборов измерительного типа.

Исходя из многообразия устройств и видов назначения трансформаторов, можно с уверенностью сказать, что на сегодня они — незаменимые, использующиеся практически повсеместно устройства, благодаря которым обеспечивается стабильность и достижение необходимых потребителю значений напряжения, как гражданских сетей, так и сетей предприятий промышленности.

Во время эксплуатации электросистем часто возникает необходимость преобразовать определенные электрические величины с заданной пропорциональностью. Это делается для того, чтобы смоделировать определенные процессы в установках, а также провести измерения. Изобретение трансформаторов позволило решать широкий спектр задач относительно передачи электроэнергии на длительное расстояние, а также защиты оборудования. Простота и надежность такого оборудования определили его широкое распространение.

Современный рынок электроустановок предлагает огромное разнообразие трансформаторов различной мощности и назначения. Существует очень много фирм «ссылка 2», которые занимаются реализацией и обслуживанием данного оборудования, а также способны помочь с выбором. Далее попробуем разобраться, как работает трансформатор напряжения и для чего он нужен.

Назначение трансформатора

Главной задачей данного устройства является изменение значения напряжения. По степени преобразования напряжения выделяют следующие виды трансформаторов:

• повышающие (коэффициент преобразования больше 1);
• понижающие (меньше 1);

Повышающие трансформаторы способны значительно повышать напряжение (до 1150 кВ), таким образом уменьшая потери в линии электропередач (ЛЭП). Это свойство облегчает транспортировку электроэнергии.

Непосредственно перед потребителями электричества устанавливаются понижающие ТР. Их функция состоит в том, чтобы понизить напряжение до приемлемых значений (380 В и меньше). Кроме того, широко распространено применение таких трансформаторов в бытовой технике — в телевизорах, компьютерах, магнитофонах, зарядных устройствах. Они используются для питания электрических схем и плат, которые не рассчитаны на напряжение 220 В.

Классификация трансформаторов

По назначению ТР бывают:

• ТР напряжения;
• ТР тока;
• защитные;
• промежуточные;
• лабораторные.

По конструкции выделяют сухие (охлаждение за счет воздуха) и масляные (магнитопровод и обмотки находятся в резервуаре с маслом) трансформаторы.

По количеству обмоток ТР бывают:

• двухобмоточные (первичная и вторичная);
• трехобмоточные (одна первичная и две вторичные или наоборот);
• многофазные (несколько первичных и вторичных обмоток).

Назначение, устройство, принцип работы трансформатора напряжения

Устройство ТР напряжения включает сердечник и несколько обмоток. Сердечник трансформатора изготавливают штампованием отдельных стальных пластин. Это делается для уменьшения значения вихревых токов, которые наводятся переменным магнитным полем. Обмотки представляют собой изолированную медную проволоку, которая обматывается вокруг сердечника. К одной из обмоток подключается электростанция (первичная), а к другой — ЛЭП или потребители (вторичная). Подобное устройство трансформаторов напряжения позволяет достичь максимальной эффективности. Большой каталог силовых трансформаторов приведен на сайте http://lipetsk.vsetmg.ru/ .

Принцип работы трансформатора напряжения описывается явлением электромагнитной индукции. Когда по первичной обмотке проходит переменный ток, он образовывает переменный магнитный поток. Этот поток проходит сквозь сердечник (магнитопровод) и обе обмотки, в которых наводится ЭДС. В случае, когда вторичная обмотка имеет нагрузку, то в цепи под действием ЭДС начинает протекать ток. Отношение значений ЭДС будет равно отношению числа витков обмоток. То есть, подбирая определенное количество витков, можно получать нужное напряжение на выходе.

Стоит отметить, что подобный эффект невозможен при подключении к обмотке трансформатора постоянного тока. Все из-за того, что постоянным током создается постоянный магнитный поток, который не наводит ЭДС. Следовательно, энергия между обмотками не передается.

Трансформаторы тока, назначение и принцип действия

По своей сути трансформатор тока (ТТ) есть измерительным аппаратом. Главное назначение данного устройства — понижать значение тока до приемлемых для амперметра значений.

Конструктивно ТТ сходен с трансформатором напряжения. Он так же имеет стальной сердечник и пару обмоток. В таком устройстве первичная обмотка имеет мало витков, но большого сечения. К ней подключается цепь, в которой нужно провести измерение. Ко вторичной (содержит большее число витков) подключают амперметр. Благодаря большему количеству витков, ток во вторичной обмотке существенно ниже, чем в первичной, именно поэтому становится возможным подключение измерительного прибора.

Поскольку сопротивление амперметра очень мало, то такой трансформатор находится в состоянии короткого замыкания. Для ТТ это является рабочим режимом, в отличии от ТР напряжения.

Виды трансформаторов тока

• сухие (обмотки имеют физическую связь, поэтому на ток во вторичной обмотке непосредственно влияет коэффициент трансформации);
• тороидальные (первичная обмотка отсутствует, вместо нее шина или кабель);
• высоковольтные.

Следует отметить, что эксплуатироваться трансформатор тока должен только с подключенным амперметром или с закороченной вторичной обмоткой. В противном случае на вторичной обмотке возникает высокое напряжение, способное убить.

• ,

Трансформатор - электрическое устройство, передающее энергию переменного тока от одного контура к другому способом электромагнитного взаимодействия. Большинство трансформаторов состоят из трёх частей: первичная обмотка, вторичная обмотка и сердечник. Трансформатор используется для того, чтобы преобразовывать переменный ток в электропитание для бытовых и промышленных приборов.

Принцип работы трансформатора

Трансформаторы работают по принципу электромагнитного взаимодействия. Чтобы электромагнитное взаимодействие происходило, необходимо присутствие магнитного поля и проводника, между которыми должно происходить относительное движение.

Когда на первичную обмотку трансформатора подаётся переменный ток, вокруг обмотки образуется магнитное поле. Поскольку подаётся переменный ток, меняющий направление каждую половину цикла, ежесекундно происходит многократное расширение и исчезновение магнитного поля. Вторичная обмотка как раз и является тем проводником, который нужен для электромагнитного взаимодействия, а расширение и исчезновение магнитного поля обеспечивает относительное движение. Итак, когда соблюдены все три требования, происходит электромагнитное взаимодействие. В результате, во вторичной обмотке трансформатора индуцируется напряжение.

Инструкция

В основу трансформатора положено явление, называемое электромагнитной индукцией. При воздействии на проводник изменяющегося магнитного поля на концах этого проводника возникает напряжение, соответствующее первой производной изменения этого поля. Таким образом, когда поле постоянное, напряжения на концах проводника не возникает. Это напряжение очень мало, но его можно повысить. Для этого достаточно вместо прямого проводника использовать катушку, состоящую из желаемого количества витков. Поскольку витки соединены последовательно, напряжения на них суммируются. Поэтому при прочих равных условиях напряжение будет больше по сравнению с единичным витком или прямым проводником в число раз, соответствующее количеству витков.

Создавать переменное магнитное поле можно по-разному. Например, вращать рядом с катушкой магнит - получится генератор. В трансформаторе же для этого используют еще одну обмотку, называемую первичной, и на нее подают напряжение той или иной формы. Во вторичной обмотке возникает напряжение, форма которого соответствует первой производной формы напряжения в первичной обмотке. Если напряжение на первичной обмотке изменяется по синусоидальному закону, на вторичной оно будет изменяться по косинусоидальному. Коэффициент трансформации (не путать с коэффициентом полезного действия) соответствует соотношению чисел витков обмоток. Он может быть как меньше, так и больше единицы. В первом случае трансформатор будет понижающим, во втором - повышающим. Количество витков, приходящееся на один вольт (т. наз. "число витков на вольт") - одинаковое для всех обмоток трансформатора. Для трансформаторов промышленной частоты оно составляет не менее 10, иначе КПД падает и увеличивается нагрев.

Магнитная проницаемость воздуха очень мала, поэтому трансформаторы без сердечников применяют только при работе на очень высоких частотах. В трансформаторах промышленной частоты нашли применение сердечники из стальных пластин, покрытых слоем диэлектрика. Благодаря этому пластины электрически изолированы друг от друга, и не возникают вихревые токи, способные снизить КПД и увеличить нагрев. В трансформаторах импульсных блоков питания, работающих на повышенных частотах, такие сердечники неприменимы, так как существенные вихревые токи могут возникнуть в каждой отдельной пластине, а магнитная проницаемость избыточна. Здесь применяют сердечники из ферритов - диэлектриков, обладающих магнитными свойствами.

Потери в трансформаторе, снижающие его КПД, возникают за счет излучения им переменного электромагнитного поля, небольших вихревых токов, все же возникающих в сердечнике несмотря на принятые меры по их подавлению, а также наличия у обмоток активного сопротивления. Все эти факторы, кроме первого, ведут к нагреву трансформатора. Активное сопротивление обмотки должно быть пренебрежимо малым по сравнению с внутренним сопротивлением источника питания или нагрузки. Поэтому чем больше ток через обмотку и ниже напряжение на ней, тем более толстый провод для нее применяют.

Видео по теме

Трансформаторы служат для преобразования систем переменного напряжения и тока без потери мощности и широко используются практически во всех отраслях человеческой деятельности.

Инструкция

Трансформатор представляет собой электрический прибор, предназначенный для преобразования переменного напряжения одной величины в напряжение другой величины (понижение или повышение). Состоит он из металлического сердечника и обмоток из проволоки разного сечения. Поскольку обмотки устройства наматываются на сердечник, выполненный из специальной электротехнической стали, вес устройства, как правило, весьма внушителен по отношению к своим габаритам. Размеры трансформатора могут меняться в зависимости от его мощности.

Трансформатор может быть однофазным или трехфазным. Разобраться в этом вопросе очень просто. Если ток протекает по четырем проводникам – трем фазам и нулю – ток здесь трехфазный. Если же проводов два – фаза и ноль – это однофазный ток. Для превращения трехфазного трансформатора в однофазный достаточно взять любую из фаз и ноль. Именно такой ток поступает в жилые дома и квартиры. В обычной бытовой розетке с напряжением 220 вольт протекает переменный однофазный электрический ток.

Однофазный трансформатор имеет несложную конструкцию, основными элементами которой являются:
1 - первичная обмотка;
2 – магнитопровод;
3 - вторичная обмотка;
Ф – направленность магнитного потока;
U1 – напряжение в первичной обмотке;
U2 – напряжение во вторичной обмотке.