Трансформатори, їх види і призначення

Що таке трансформатор
Принцип роботи трансформатора
види трансформаторів
Режими роботи трансформатора
Рівняння ідеального трансформатора
магнитопровод трансформатора
обмотка трансформатора
застосування трансформаторів
схема трансформатора

Що таке трансформатор

Трансформатор являє собою пристрій, який перетворює напругу змінного струму (підвищує або знижує). Складається трансформатор з декількох обмоток (двох або більше), які намотані на загальний феромагнітний сердечник. Якщо трансформатор складається тільки з однієї обмотки, то він називається автотрансформатором. Сучасні трансформатори струму бувають: стрижневими, броньованими або тороїдальними. Всі три типи трансформаторів мають схожі характеристики, і надійність, але відрізняються один від одного способом виготовлення.

У трансформаторах стрижневого типу обмотка намотана на сердечник, а в трансформаторах стрижневого типу обмотка включається в сердечник. У трансформаторі стрижневого типу обмотки добре видно, а з сердечника видно тільки нижня і верхня частина. Сердечник броньового трансформатора приховує в собі практично всю обмотку. Обмотки трансформатора стрижневого типу розташовані горизонтально, в той час як це розташування в броньовий трансформаторі може бути як вертикальним, так і горизонтальним.

Незалежно від типу трансформатора, до його складу входять такі три функціональні частини: магнітна система трансформатора (магнітопровід), обмотки, а також система охолодження.

Принцип роботи трансформатора

У трансформаторі прийнято виділяти первинну і вторинну обмотку. До первинної обмотці напруга підводиться, а від вторинної відводиться. Дія трансформатора засновано на законі Фарадея (законі електромагнітної індукції): що змінюється в часі магнітної потік через площадку, обмежену контуром, створює електрорушійну силу. Справедливо також зворотне твердження: змінюється електричний струм індукує змінюється магнітне поле.

У трансформаторі є дві обмотки: первинна і вторинна. Первинна обмотка одержує заживлення від зовнішнього джерела, а з вторинної обмотки напруга знімається. Змінний струм первинної обмотки створює в муздрамтеатрі змінне магнітне поле, яке, в свою чергу, створює струм у вторинній обмотці.

Режими роботи трансформатора

Існують такі три режими роботи трансформатора: холостий хід, режим короткого замикання, робочий режим. Трансформатор «на холостому ходу», коли висновки від вторинних обмоток нікуди не підключені. Якщо сердечник трансформатора виготовлений з магнітомягкого матеріалу, тоді струм холостого ходу показує, які в трансформаторі відбуваються втрати на перемагнічування сердечника і вихрові струми.

У режимі короткого замикання висновки вторинної обмотки з’єднані між собою накоротко, а на первинну обмотку подають невелика напруга, з таким розрахунком, щоб струм короткого замикання дорівнював номінального струму трансформатора. Величину втрат (потужність) можна порахувати, якщо напруга у вторинній обмотці помножити на струм короткого замикання. Такий режим трансформатора знаходить своє технічне застосування в вимірювальних трансформаторах.

Якщо підключити навантаження до вторинної обмотці, то в ній виникає струм, що індукує магнітний потік, спрямований протилежно магнітному потоку в первинній обмотці. Тепер в первинній обмотці ЕРС джерела живлення і ЕРС індукції харчування не рівні, тому струм в первинній обмотці збільшується до тих пір, поки магнітний потік не досягне колишнього значення.

Для трансформатора в режимі активного навантаження справедливо рівність:
U_2 / U_1 = N_2 / N_1, де U2, U1 – миттєві напруги на кінцях вторинної та первинної обмоток, а N1, N2 – кількість витків в первинній і вторинній обмотці. Якщо U2> U1, трансформатор називається що підвищує, в іншому випадку перед нами понижуючий трансформатор. Будь-трансформатор прийнято характеризувати числом k, де k – коефіцієнт трансформації.

види трансформаторів

Залежно від свого застосування і характеристик трансформатори бувають декількох видів. Наприклад, в електричних мережах населених пунктів, промислових підприємств застосовують трансформатори силові, основним завданням яких є зниження напруги в мережі до загальноприйнятого – 220 В.

Якщо трансформатор призначений для регулювання струму, він називається трансформатор струму, а якщо пристрій регулює напругу – то це трансформатор напруги. У звичайних мережах застосовуються однофазні трансформатори, в мережах на три дроти (фаза, нуль, заземлення) потрібен трифазний трансформатор.

Побутовий трансформатор, 220В призначається для захисту побутової техніки від перепадів напруги.

Зварювальний трансформатор призначений для поділу зварювальної і силової мережі, для зниження напруги в мережі до потрібної для зварювання величини.

Масляний трансформатор призначається для використання в мережах з напругою вище 6 000 Вольт. Конструкція трансформатора включає в себе: магнітопровід, обмотки, бак, а також кришки з вводами. Магнитопровод складається з 2 листів електротехнічної сталі, які ізольовані один від одного, обмотки, як правило, роблять з алюмінієвого або мідного дроту. Регулювання напруги проводиться за допомогою відгалуження, яке з’єднується з перемикачем.

Існує два види перемикання відгалужень: перемикання під навантаженням – РПН (регулювання під навантаженням), а також без навантаження, після того, як трансформатор відключений від зовнішньої мережі (ПБЗ, або перемикання без збудження). Більшого поширення отримав другий спосіб регулювання напруги.

Говорячи про види трансформаторів, не можна не розповісти про електронний трансформаторі. Електронний трансформатор являє собою спеціалізований джерело живлення, який служить для перетворення напруги 220В в 12 (24) В, при великої потужності. Електронний трансформатор набагато менше звичайного, при тих же самих параметрах навантаження.

Рівняння ідеального трансформатора

Для того щоб розрахувати основні характеристики трансформаторів, прийнято користуватися простими рівняннями, які знає кожен сучасний школяр. Для цього використовують поняття ідеального трансформатора. Ідеальним трансформатором називається такий трансформатор, в якому немає втрат енергії на нагрів обмоток і вихрові струми. В ідеальному трансформаторі енергія первинного кола перетворюється повністю в енергію магнітного поля, а потім – в енергію вторинної обмотки. Саме тому ми можемо написати:
P1 = I1 * U1 = P2 = I2 * U2,
де P1, P2 – потужності електричного струму в первинної та вторинної обмотці відповідно.

магнитопровод трансформатора

Магнитопровод є пластини з електротехнічної сталі, які концентрують в собі магнітне поле трансформатора. Повністю зібрана система з деталями, скріпними трансформатор в єдине ціле – це остов трансформатора. Та частина муздрамтеатру, на якій кріпляться обмотки, називається стрижнем трансформатора. Частина муздрамтеатру, яка не несе на собі обмотку і замикає магнітний ланцюг, називається ярмом.

У трансформаторі стрижні можуть розташовуватися по-різному, тому виділяють такі чотири типи магнитопроводов (магнітних систем): плоска магнітна система, просторова магнітна система, симетрична магнітна система, несиметрична магнітна система.

обмотка трансформатора

Тепер поговоримо про обмотці трансформатора. Основна частина обмотки – виток, який одноразово охоплює муздрамтеатр і в якому індукується магнітне поле. Під обмоткою розуміють суму витків, ЕРС всієї обмотки дорівнює сумі ЕРС в кожному витку.

У силових трансформаторах обмотка зазвичай складається з провідників, що мають квадратний перетин. Такий провідник по-іншому ще називається жилою. Провідник квадратного перетину використовується для того, щоб більш ефективно використовувати простір усередині сердечника. В якості ізоляції кожної жили може використовуватися або папір, або емалевий лак. Дві жили можуть бути з’єднані між собою, і мати одну ізоляцію – така конструкція називається кабелем.

Обмотки бувають наступних типів: основні, регулюючі та допоміжні. Основний називається обмотка, до якої підводиться або від якої відводиться струм (первинна і вторинна обмотка). Обмотка з висновками для регулювання коефіцієнта трансформації напруги називається регулюючої.

застосування трансформаторів

З курсу шкільної фізики відомо, що втрати потужності в проводах прямо пропорційні квадрату сили струму. Тому для передачі струму на великі відстані напругу підвищують, а перед подачею споживачеві навпаки, знижують. У першому випадку потрібні підвищувальні трансформатори, а в другому – понижуючі. Це основне застосування трансформаторів.

Трансформатори застосовуються також в схемах живлення побутових приладів. Наприклад, в телевізорах застосовують трансформатори, що мають кілька обмоток (для харчування схем, транзисторів, кінескопа, і т.д.).

схема трансформатора

1. Ізоляція трансформатора на основі безматрічний вакуумного просочення і працює в середовищі з високою вологістю повітря і в хімічно агресивною атмосфері.
2. Мінімальна виділення енергії горіння (наприклад, 43 кг для трансформатора 1600 кВА відповідають 1,1% ваги). Інші ізоляційні матеріали є практично негорючими, самозатухаючим і не містять будь-яких токсичних добавок.
3. Стійкість трансформатора до забруднень завдяки конвекційним самоочисним дискам обмотки.
4. Велика довжина витоку по поверхні дисків обмотки, які створюють ефект ізоляційних бар’єрів.
5. Стійкість трансформатора до температурної ударного навантаження навіть при вкрай низьких температурах (-50 ° С).
6. Керамічні блоки прокладки (без можливості загоряння) між дисками обмотки.
7. Ізоляція провідників скло-шовк.
8. Безпека експлуатації трансформатора завдяки спеціальній структурі обмотки Вплив напруги на ізоляцію ніколи не перевищує напруга ізоляції (не більше 10 В). Часткові розряди в ізоляції фізично неможливі.
9. Охолодження трансформатора забезпечується вертикальними і горизонтальних каналах охолодження, а мінімальна товщина ізоляції забезпечують можливість роботи трансформатора при великих короткочасних перевантаженнях в захисному корпусі IP 45 без примусового охолодження.
10. Ізоляційний циліндр зроблений і практично негорючого і самозагасаючого матеріалу, армованого скловолокном.
11. Обмотка низької напруги з стандартного дроти або фольги; в якості матеріалу обмотки використовується мідь.
12. Динамічна стійкість трансформатора до коротких замикань забезпечується керамічними ізоляторами.

ТРАНСФОРМАТОРИ. ТИПИ ТРАНСФОРМАТОРІВ, ОПИС І КЛАСИФІКАЦІЯ

Електричним трансформатором називають пристрій, який застосовується в мережі змінного струму для зміни величини напруги. Принцип його роботи грунтується на явищі електромагнітної індукції. Коли первинну обмотку підключають до джерела, який виробляє змінний струм, в обмотці відбувається генерація магнітного поля, яке вражає поява ЕРС у вторинній обмотці. При цьому ЕРС прямо залежить від числа витків в первинній та вторинній обмотках. Коефіцієнт трансформації можна знайти, якщо взяти відношення ЕРС в первинній обмотці до вторинної обмотці. Основні елементи, які входять в конструкцію трансформатора є обмотки як первинна, так і вторинна, а також ферромагнетик замкнутого типу. Обмотки розташовуються на муздрамтеатрі і індуктивно зв’язуються між собою. Завдяки магнітопровода акумулюється велика частина магнітного поля всередині самого трансформатора, що дозволяє збільшити коефіцієнт корисної дії. Магнитопровод в більшості випадків складається з пластин металу, які обов’язково покриваються ізоляцією. Це необхідно для того, щоб запобігти виникненню так званих «паразитних» струмів всередині пристрою. Часто відбувається так, що вторинна обмотка служить частиною первинної або ж навпаки. Такого роду трансформатор називається автотрансформатор. При використанні такого типу трансформатора кінці первинної обмотки підключають до мережі, де є змінна напруга, а вторинну обмотку до джерела споживання електроенергії.

Трансформатори і їх класифікація.

Класифікувати трансформатори можна за кількома параметрами.
Для початку трансформатори класифікуються за призначенням. Керуючись цим, вони бувають вимірювальними захисними, лабораторними, проміжними. За способом установки бувають зовнішніми, внутрішніми, шинними, опорними, стаціонарними, переносними. Якщо розглядати число ступенів, то трансформатори бувають каскадні і одноступенчатние. Їх також поділяють по номінальній напрузі на високовольтні і низьковольтні трансформатори. Також дані пристрої ділять на компаундні, з сухою ізоляцією і паперово-масляні.

Силовий тип трансформатора – найбільш поширений на сьогоднішній день. Застосовуються дані пристрої для того, щоб змінювати енергію змінного струму в електромережі енергосистеми, електрообладнанні і системах освітлення.
Класифікувати даний тип можна по номінальній напрузі і кількісних ву фаз. Найбільше застосування знайшли однофазні та трифазні серії ОСМ і ТП.
Найбільш популярними в енергетиці на сьогоднішній момент вважаються високовольтні трансформатори ТМГ з охолодження за допомогою масла в герметичному баці. Дана серія видає коефіцієнт корисної дії до 99%, а також показують високий ступінь захисту від перегріву, високі характеристики в експлуатації, і мінімальні витрати на обслуговування під час роботи.

Крім силового типу трансформаторів є безліч і інших, які відрізняються за своїм призначенням. Існують вимірювальні трансформатори для вимірювання великої напруги і струму, пік-трансформатори, які використовують для перетворення напруги з форми синусоїди в імпульсну форму. Для перетворення імпульсів напруги і струмів використовують імпульсні трансформатори. Є також такі пристрої, які дозволяють виділити змінну складову струму, розділити або узгодити електричний ланцюг на гальванічні частини.

Вимірювальними є трансформатори, що призначаються для того, щоб змінити рівень напруги з високим показником точності трансформації. Їх класифікують за зміни рівня струму і напруги, а також за призначенням. Діляться на низьковольтні струмові трансформатори типу ТТІ-066, ТШ-066, Т-066, а також високовольтні трансформатори напруги типів ЗНОЛ і НАМИТ.

Вторинна обмотка в кожному з цих пристроїв з’єднана з пристроєм для вимірювання таким як, амперметр, лічильник електроенергії, вольтметр, фазометр, реле струму). Дане обладнання застосовується також для ізоляції вимірювального устаткування від великого впливу напружень і струмів в ланцюзі вимірювання, плюс до всього дає можливість проведення стандартизації обладнання.

Автотрансформатор являє собою пристрій, в якому обмотки з’єднуються між собою гальванічним способом. Малий коефіцієнт трансформації цих пристроїв дозволяє зменшити їх габарити і відповідно вартість. Головним недоліком є ​​те, що гальванічна ізоляція ланцюга неможлива. Даний трансформатор знайшов застосування в пускових пристроях електричних машин, для зміни напруги. Також застосовується при плавному регулюванні напруги в системі релейного захисту. Якщо ж змінити в автотрансформаторі кількість робочих витків у вторинній обмотці, можна зберегти вторинна напруга на стабільному рівні, навіть якщо зміниться первинна напруга. Даний механізм застосовують в стабілізаторах напруги.

Трансформатор імпульсного типу являє собою пристрій, в якому є феромагнітний сердечник, щоб змінювати імпульси напруги і струму. Їх великою мірою застосовують в системах радіолокації, імпульсної радіозв’язку, електронно-обчислювальних пристроях. Головною умовою, яка повинна виконуватися в таких трансформаторах є збереження форми імпульсу при будь-якому його зміні. Досягається це при максимальному зменшенні міжвиткової ємності, взаємне розташування, а також зменшення кількості обмоток як первинних, так і вторинних.

Пік-трансформатор є генераторами імпульсу в високовольтному дослідній ділянці будь-якої установки, а також в системі автоматики. Дозволяє змінити напругу форми синусоїдального типу в імпульсний тип зі змінною полярністю в полперіода.