Что такое трансформатор: как работает устройство и принцип его действия

Что такое трансформатор?

Если коротко, то это стационарное устройство, используемое для преобразования переменного напряжения с сохранением частоты тока. Действие трансформатора основано на свойствах электромагнитной индукции.

Общее устройство и принцип работы

Рассмотрим конструкцию простого трансформатора, с двумя катушками насаженных на замкнутый магнитопровод (см. Рис. 2). Катушку, на которую поступает ток, будем называть первичной, а выходную катушку – вторичной.

Устройство трансформатора
Рисунок 2. Устройство трансформатора

Фактически все типы трансформаторов используют электромагнитную индукцию для преобразования напряжения поступающего в цепь  первичной обмотки. При этом выходное напряжение снимается из вторичных обмоток. Они различаются только по форме, материалам магнитопроводов и способам наматывания катушек.

Ферромагнитные сердечники применяются в низкочастотных моделях. Для таких сердечников используются материалы:

  • сталь;
  • пермаллой;
  • феррит.  

В некоторых высокочастотных моделях магнитопроводы могут отсутствовать, а в некоторых изделиях применяют материалы из высокочастотного феррита или альсифера.

В связи с тем, что для характеристик ферромагнетиков характерна нелинейность намагничивания, сердечники набирают из листовых материалов, на которые надевают обмотки. Нелинейная индуктивность приводит к гистерезису, для уменьшения которого применяют метод шихтования магнитопроводов.

Форма сердечника может быть Ш-образной или торроидальной.

Базовые принципы действия

Когда на выводы первичных обмоток поступает синусоидальный ток, то он во второй катушке создает переменное магнитное поле, пронизывающее магнитопровод. В свою очередь, изменение магнитного потока провоцирует наведение ЭДС в катушках. При этом величина напряжения ЭДС в обмотках находится в пропорциональной зависимости от количества витков и частоты тока. Отношение количества витков в цепи первичной обмотки к числу витков вторичной катушки называется коэффициентом трансформации: k = W1 / W2, где символами W1  и W2обозначено количество витков в катушках.

Если k > 1, то трансформатор повышающий, а при 0 < k < 1 – понижающий. Например, когда число витков, из которых состоит первичная обмотка, в три раза меньше количества вторичных витков, то k = 1/3, тогда U2 = 1/3 U1.

Режимы работы

Силовой трансформатор может работать в трех режимах:

  • в состоянии холостого хода;
  • в режиме нагрузки;
  • в короткозамкнутом режиме.

Поскольку в цепи разомкнутой вторичной обмотки отсутствует ток, то в таком состоянии по первичной обмотке циркулирует ток холостого хода. Параметры этого тока используют при расчетах КПД, определяют коэффициент трансформации, находят потери в сердечнике.

Основным рабочим режимом трансформатора является состояние, когда к его второй обмотке подключена номинальная нагрузка. Первичный ток можно выразить через результирующую тока холостого хода и расчетного тока сопротивления нагрузки.

В режиме короткого замыкания вторичной обмотки, вся мощность концентрируется в цепях обмоток. В таком состоянии можно определить потери, расходуемые на нагревание проводов в обмотках.

Общее устройство и принцип работы трансформаторов

В общем виде трансформатор представляет собой две обмотки расположенных на общем магнитопроводе. Обмотки выполняются из медного или алюминиевого провода в эмалевой изоляции, а магнитопровод изготовлен из тонких изолированных лаком пластин электротехнической стали, для уменьшения потерь электроэнергии на вихревые токи (так называемые токи Фуко).

Та обмотка, которая подключается к источнику питания, называется первичной обмоткой, а обмотка к которой подключается нагрузка — соответственно вторичной. Если со вторичной обмотки (W2) трансформатора снимается напряжение (U2) ниже, чем напряжение (U1) которое подаётся на первичную обмотку (W1), то такой трансформатор считается понижающим, а если выше — повышающим.

Общее устройство трансформатора
Общее устройство трансформатора
Рис.2 Схема общего устройства трансформатора

Металлическая часть находящаяся на которой располагается электрическая обмотка (катушка), т.е. которая находится в ее центре, называется сердечником, в трансформаторах этот сердечник имеет замкнутое исполнение и является общим для всех обмоток трансформатора, такой сердечник называется магнитопроводом.

Как уже было сказано выше принцип работы трансформаторов основан на законе электромагнитной индукции, для понимания того как это работает представим самый простой трансформатор, аналогичный тому который представлен на рисунке 2, т.е. у нас есть магнитопровод на котором располагаются 2 обмотки, представим, что первая обмотка состоит всего из одного витка, а вторая — из двух.

Теперь подадим напряжение 1 Вольт на первую обмотку, ее единственный виток условно создаст магнитный поток величиной в 1 Вб (Справочно: Вебер (Вб) — единица измерения магнитного потока) в магнитопроводе, так как магнитопровод имеет замкнутое исполнение магнитный поток будет протекать в нем по кругу при этом пересекая 2 витка второй обмотки, при этом в каждом из этих витков за счет электромагнитной индукции наводит (индуктирует) электродвижущую силу (ЭДС) в 1 Вольт, ЭДС этих двух витков складывается и на выходе со второй обмотки мы получаем 2 Вольта.

Таким образом, подав на первичную обмотку 1 Вольт на вторичной обмотке мы получили 2 Вольта, т.е. в данном случае трансформатор будет называться повышающим, т.к. он повышает поданное на него напряжение.

Но этот трансформатор может работать и в обратную сторону, т.е. если на вторую обмотку (с двумя витками) подать 2 Вольта, то с первой обмотки по тому же принципу мы получим 1 Вольт, в этом случае трансформатор будет называться понижающим.

Общие характеристики трансформаторов

К основным техническим характеристиками трансформаторов можно отнести:

  • номинальную мощность;
  • номинальное напряжение обмоток;
  • номинальный ток обмоток;
  • коэффициент трансформации;
  • коэффициент полезного действия;
  • число обмоток;
  • рабочую частоту;
  • количество фаз.

Мощность является одним из главных параметров трансформаторов. В паспортных (заводских) данных трансформатора указывается его полная мощность (обозначается буквой S), она зависит от типа используемого магнитопровода, количества и диаметра витков в обмотках, то есть от массогабаритных показателей электромагнитного аппарата.

Измеряется мощность в единицах В∙А (Вольт-Ампер). На практике для трансформаторов больших мощностей, как правило используются кратные Вольт-Амперам величины Киловольт-ампер — кВА (103 В∙А) и Мегавольт-ампер — МВА (106 В∙А).

Фактически каждый трансформатор имеет 2 значения мощности: входную (S1) — мощность, которую трансформатор потребляет из питающей его сети и выходную (S2) — мощность, которую трансформатор отдает подключенной к нему нагрузке, при этом выходная мощность всегда меньше входной за счет электрических потерь в самом трансформаторе (потери на нагрев обмоток, потери на вихревые токи и т.д.) величина этих потерь определяется другим основным параметром — коэффициентом полезного действия, сокращенно — КПД (обозначается буквой η), данный параметр указывается в процентах.

Например если КПД указано 92% — это значит, что выходная мощность трансформатора будет меньше входной на 8%, т.е. 8% -это потери в трансформаторе.

Формулы расчета мощности:

  • Входная мощность: S1=U1х I1 ,ВА;
  • Выходная мощность: S2=U2х I2 ,ВА;

где:

  • I1,I2 — соответственно, токи в первичной и вторичной обмотках трансформатора в Амперах;
  • U1,U2 — соответственно, напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора в Вольтах.

Следует помнить, что полная мощность состоит из активной (P) и реактивной (Q) мощностей:

  • Активная мощность определяется по формуле: P=U х I х cosφ ,Ватт (Вт)
  • Реактивная мощность определяется по формуле: Q=U х I х sinφ ,вольт-ампер реактивный (Вар)
  • Коэффициент мощности: cosφ=P/S;
  • Коэффициент реактивной мощности:sinφ=Q/S

Формулы расчета КПД (η) трансформатора:

Как уже было указано выше КПД определяет величину потерь в трансформаторе или иными словами эффективность работы трансформатора и определяется оно отношением выходной мощности (P2) к входной (P1):

η=P2/P1

В результате данного расчета значение КПД определяется в относительных единицах (в виде десятичной дроби), например — 0,92, чтобы получить значение КПД в процентах рассчитанную величину необходимо умножить на 100% (0,92*100%=92%).

Чем ближе КПД к 100% тем лучше, т.е. идеальный трансформатор — это трансформатор в котором P2=P1, однако в реальности из-за потерь в трансформаторе выходная мощность всегда ниже входной.

Это хорошо видно из так называемой энергетической диаграммы трансформатора (рис.3):
энергетическая диаграмма трансформатора

  • P1 — активная мощность, потребляемая трансформатором от источника;
  • P2 — активная (полезная) мощность, отдаваемая трансформатором приемнику;
  • ∆Pэл  — электрические потери в обмотках трансформатора;
  • ∆Рм  — магнитные потери в магнитопроводе трансформатора;
  • ∆Рдоп — дополнительные потери в остальных элементах конструкции.

В режиме холостого хода (работы без подключенной к трансформатору нагрузки) КПД трансформатора η = 0. Мощность холостого хода P0, потребляемая трансформатором в этом режиме, расходуется на компенсацию магнитных потерь. С увеличением нагрузки в достаточно небольшом диапазоне (приблизительно β = 0,2) КПД достигает больших значений. В остальной части рабочего диапазона КПД трансформатора держится на высоком уровне. В режимах, близких к номинальному, КПД трансформатора η ном = 0,9 — 0,98.

Зависимость КПД от нагрузки представлена на следующем графике (рис.4):
график зависимости КПД отт нагрузки трансформатора

Первичное номинальное напряжение U1н — это напряжение, которое требуется подать на первичную катушку трансформатора, чтобы в режиме холостого хода получить номинальное вторичное напряжение U2н.

Вторичное номинальное напряжение U2н — это значение, которое устанавливается на выводах вторичной обмотки при подаче на первичную обмотку номинального первичного напряжения U1н, в режиме холостого хода.

Номинальный первичный ток I1н — это максимальный ток, протекающий в первичной обмотке, т.е. потребляемый трансформатором из сети, на который рассчитан данный трансформатор и при котором возможна его длительная работа.

Номинальный вторичный ток I2н —  это максимальный ток нагрузки, протекающий во вторичной обмотке, на который рассчитан данный трансформатор и при котором возможна его длительная работа.

Коэффициент трансформации (kт) — это отношение числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной обмотке k=W1/W2.

Так же kт определяется как отношение напряжений на зажимах обмоток: kт=U1н/U2н.

Для понижающего трансформатора коэффициент трансформации больше 1, а для повышающего — меньше 1.

Примечание: для трансформаторов тока kт определяется как отношение номинальных значений первичного и вторичного токов kт=I1н/I2н

Число обмоток у однофазных трансформаторов чаще две, но может быть и больше. На первичную обмотку подают одно значение напряжения, а с вторичной обмотки снимают другое значение.

Когда требуются различные напряжения для питания нескольких приборов, то в этом случае вторичных обмоток может быть несколько. Также есть трансформаторы с общей точкой на вторичной обмотке для двуполярного питания.

Рабочая частота трансформаторов может быть различной. Но при одинаковых напряжениях первичной обмотки, трансформатор, разработанный для частоты 50 Гц, может использоваться при частоте сети 60 Гц, но не наоборот. При частоте меньше номинальной увеличивается индукция в магнитопроводе, что может повлечь его насыщение и как следствие резкое увеличение тока холостого хода и изменение его формы. При частоте больше номинальной повышается величина паразитных токов в магнитопроводе, повышается нагрев магнитопровода и обмоток, приводящий к ускоренному старению и разрушению изоляции.

Габариты трансформатора напрямую зависят от частоты тока в цепи, в которой он будет установлен. Конечно, трансформатор должен быть рассчитан на эту частоту. Зависимость эта обратная, т.е. с увеличением частоты габариты трансформатора значительно уменьшаются. Именно поэтому, импульсные блоки питания (с импульсными высокочастотными трансформаторами) намного компактнее.

В зависимости от назначения трансформаторы изготавливают однофазными и трехфазными.

Однофазный трансформатор представляет собой устройство для трансформирования электрической энергии в однофазной цепи. В основном имеет две обмотки, первичную и вторичную, но вторичных обмоток может быть и несколько.

Трехфазный трансформатор представляет собой устройство для трансформирования электрической энергии в трёхфазной цепи. Конструктивно состоит из трёх стержней магнитопровода, соединённых верхним и нижним ярмом. На каждый стержень надеты обмотки W1 и W2 высшего (U1) и низшего (U2) напряжений каждой фазы (рис.5).
схема общего устройства трехфазного трансформатора

Виды трансформаторов

Согласно определению, трансформатор (transformator) — это статический электромагнитный прибор, состоящий из нескольких катушек, располагающихся на общем магнитопроводе. Используется такое устройство как для преобразования переменного сигнала, так и для создания гальванической связи. Работает при переменном токе.

Все преобразователи классифицируются по следующим признакам:

  • количеству фаз — промышленность выпускает одно- и трёхфазные конструкции;
  • числу обмоток — существуют двух- или трёхобмоточные конструкции;
  • виду изоляции — разделяются на сухой тип, масляный или использующий негорючее заполнение;
  • по охлаждению — могут быть с естественным или искусственным его видом.

Виды трансформаторов
Кроме этого, бывают трансформаторы, использующие не только проволочные обмотки, но и ленточные, а также без сердечника. Последние применяются для работы на высоких частотах. Изделия характеризуются различными параметрами. Основными из них являются: мощность, коэффициенты затухания и трансформации, рабочая частота.

Мощность обозначает количество энергии, которую может пропустить через себя устройство без ухудшения характеристик. Измеряется она в ваттах и находится как сумма мощностей всех вторичных выводов. Коэффициент трансформации определяется отношением числа витков вторичной обмотки к их числу в первичной катушке. Затухание же обозначает величину ослабления сигнала за счёт паразитных связей. Для неё будет верной следующая формула: η=P2/P1, где P — мощность, подводимая к устройству (P1) и снимаемая с нагрузки, подключённой к его выходу (P2).

Силовой прибор

Является одним из самых распространённых типов, выпускаемых промышленностью трансформаторов. Относится к низкочастотному виду. Используется для повышения или понижения разности потенциалов. Основное применение — аналоговые источники питания и линии электропередач. Необходимость в применении таких преобразователей заключается в использовании различных величин рабочих напряжений.

Например, ЛЭП — 35−750 кВ, городские подстанции — 6−10 кВ, электроприборы — от единиц вольт до киловольт. По своей сути является классическим трансформатором переменного тока. Изменяемый по величине сигнал, проходя через устройство, создаёт магнитное поле в каждом витке вторичной катушки, сумма напряжений которых и формирует выходное напряжение.

Как используется трансформатор
Форма сердечника чаще всего используется Ш-образного вида, но также может быть и тороидальной. Коэффициент полезного действия (КПД) силовых устройств составляет порядка 0,9 -0,98. Мощность, которую может преобразовать электронное устройство, определяется поперечным сечением магнитопровода, обозначаемым символом S. Количество витков соответственно находится по формуле: w = 50/S.

При нахождении мощности используется правило: токи, протекающие по обмоткам трансформатора обратно пропорциональны числу их витков. То есть коэффициент трансформации будет равен отношению Iн/Iвх или Uвх/Uн. Поэтому, изменяя число витков в катушках, легко получить как повышенное, так и пониженное напряжение на выходе трансформатора.

Автотрансформаторная конструкция

Применение электрического трансформатора, его понятие и виды
Отличием от других типов устройств является присутствие электрического контакта между первичной и вторичной обмоткой. В результате этого катушки связаны не только магнитным потоком, но и гальванически. Выходная обмотка имеет не меньше трёх выводов. Автотрансформаторы относятся к приборам специального назначения. В их конструкции также используется магнитопровод, на котором размещаются две обмотки. Выводы отводятся от общего контакта обмоток и их концов.

Использование нескольких выводов позволяет регулировать напряжение путём перемещения скользящего контакта, подключённого к нагрузке. Так как значения входного и выходного тока примерно совпадают друг с другом, а витки направлены встречно, то короткого замыкания не происходит.

Автотрансформаторы, или ещё их называют ЛАТРы, используются как лабораторные блоки питания. Это связано с тем, что их коэффициент трансформации делается не более двух, так как при большем значении КПД устройства значительно снижается. Высокое же его значение при коэффициенте до единицы обусловлено тем, что часть энергии не преобразовывается, а напрямую подпитывает вторичную катушку.

Кроме этого их применяют в узлах питания выпрямительных блоков, согласования телефонных линий, железнодорожных локомотивах. При изготовлении автотрансформаторов используется провод небольшого сечения и малогабаритные сердечники, что в итоге уменьшает их стоимость.

Импульсный преобразователь

Применение электрического трансформатора
Такой трансформатор предназначен для преобразования импульсного сигнала с минимальными искажениями. Используется он в автоматических и измерительных приборах, а также электронно-вычислительной технике. Работа его выглядит следующим образом.

При подаче на вход серии импульсов, характеризующихся продолжительностью L и периодом T, в первичной катушке устройства начнёт увеличиваться ток. Соответственно, его изменение будет создавать магнитное поле, меняющееся по такому же закону. В результате во вторичной обмотке возникнет ток, проявляемый также в виде импульсов.

Из-за специфики использования такие приборы обладают рядом преимуществ:

  • малым весом;
  • высоким КПД;
  • широким диапазоном рабочих напряжений;
  • высоким коэффициентом трансформации.

Существует четыре вида импульсных трансформаторов, разделяемых по виду сердечников. Они могут быть: тороидальными (круглые), броневыми (Ш-образные), стержневыми (П-образные), и бронестержневыми. По виду намотки катушки они выполняются спиральной, цилиндрической или конической формы.

Разделительный и согласующий

Схема трансформатора
Разделительный тип применяется в тех случаях, в которых требуется гальванически развязать одну часть электрической сети от другой. Например, в помещениях с повышенной электробезопасностью. Их использование помогает существенно снизить вероятность поражения электрическим током при возникновении пробоя. Кроме того, разделительные конструкции устанавливаются в качестве защитных устройств в интерфейсных цепях, например, сетевые карты. Предотвращая резкие перепады входного сигнала, они предохраняют нагрузочные цепи от повреждений, а человеческий организм от удара током.

Трансформатор называется разделительным, если его вторичная катушка не заземлена, а он сам имеет коэффициент передачи равный единице. Разделение катушек в приборе происходит путём применения усиленной электроизоляции.

Согласующий же трансформатор используется при необходимости выровнять сопротивление различных частей электрической схемы. Их применяют в приборах усиления, например, микрофоны, телевизоры, приёмники. Из конструктивных особенностей выделяют, что согласующие устройства не нуждаются в толстой изоляции, а корпус чаще всего выполняется цилиндрического вида. Устройство собирается на диэлектрической подложке, на которой размещается пластина из феррита с намотанной первичной обмоткой. А затем через слой изоляции накручивается вторичная обмотка.

Измеритель тока

Измеритель тока
Им называется прибор, первичная катушка которого коммутируется напрямую к источнику тока, а вторичная — к защитным или измерительным приборам, обладающим небольшим внутренним сопротивлением. Основное назначение этого типа — измерение тока и защита. Его применение безопасно, так как первичная и вторичная цепь гальванически изолированы друг от друга.

Первичная катушка (чаще всего один виток), подключается последовательно к схеме, в которой требуется определить значение переменного тока. В итоге получается, что ток вторичной обмотки зависит от тока первичной, но при этом вторичная катушка должна быть обязательно подключена к нагрузке. Если этого не сделать, значение разности потенциалов на выходе может достичь таких значений, что пробьёт изоляцию. Кроме того, если вторичную катушку преобразователя разомкнуть, то через магнитопровод начнёт течь большой ток.

В состав трансформатора входит сердечник из шихтованной кремнистой холоднокатаной электротехнической стали. На него наматываются изолированные обмотки. Чаще всего первичную катушку делают шиной либо пропускают через сердечник проводник, на котором измеряется ток.

Сварочный аппарат

Сварочный аппарат
Назначение сварочных аппаратов — понижать однофазное или трёхфазное напряжение, а ток увеличивать в несколько раз. Достигается это путём секционирования отношения обмоток во входной и выходной части устройств.

Так как сварочный трансформатор относится к понижающему типу, то количество витков во вторичной обмотке у него меньше. Сила же тока регулируется путём изменения зазора между катушками. Сведение их увеличивает ток, а разведение уменьшает. Существует два режима работы устройства:

  • короткое замыкание;
  • холостой ход.

В первом случае выходная обмотка замыкается с источником питания (первичной катушкой). В результате возникает ток короткого замыкания, сопровождающийся значительным выделением энергии. При холостом ходе в трансформаторе создаются две силы — магнитное поле и поток рассеивания. Ответвляясь от потока магнитопровода, они образуют замкнутые линии через воздух. Результатом этих взаимодействий будет возникновение напряжения, порядка 48 вольт.

Пик-трансформатор

Преобразует синусоидальное напряжение в импульсы пикообразной формы. Применяется для управления газоразрядным оборудованием, таким как тиратроны, ртутные выпрямители и тиристоры.

Трансформатор напряжения

Основное назначение – это преобразование тока высокого напряжения в низковольтное питание измерительных цепей и различных приборов. Понижающее оборудование применяют в логических защитных системах.

Сдвоенный дроссель

Отличается от других видов преобразователей напряжения наличием двух абсолютно одинаковых обмоток. Основная функция – встречный индуктивный фильтр. По своим характеристикам значительно превосходит дроссель стандартной конструкции.

Трансфлюксор

Обладает большой степенью остаточной намагниченности сердечника. Этот вид трансформаторов используется как элемент блока памяти электронных устройств.

Вращающийся трансформатор

Передаёт сигналы на вращающиеся магнитные головки видеозаписывающей аппаратуры. Магнитопровод разделён на две части, одна из которых вращается с минимальным зазором относительно другой части сердечника. Обеспечивает качественный съём сигналов при большой скорости вращения.

Воздушный и масляный трансформаторы

Отличаются друг от друга способом охлаждения магнитопровода с обмотками. Масляный преобразователь напряжения погружён в герметичный бак, заполненный трансформаторным маслом с активными добавками. Воздушные приборы охлаждаются за счёт естественной или принудительной вентиляции внутреннего пространства корпуса трансформатора.

Трёхфазный

Этот вид оборудования относится к силовым трансформаторам, обладающим большой мощностью. Магнитопровод состоит из трёх стержней с обмотками. Стержень каждой из трёх фаз оснащён двумя катушками повышающего и понижающего напряжения.

Другие типы

Кроме основных типов, существуют ещё и другие разновидности трансформаторных устройств. Они не получили широкого применения, так как разрабатывались для использования в специфических задачах. Им на смену были изобретены устройства с лучшими параметрами и характеристиками, например, трансфлюксор и используемые вместо него доменные ячейки памяти.

Можно выделить следующие дополнительные виды трансформаторов:

  1. Трансформаторы и его виды
    Пик-трансформатор — способен преобразовывать переменный сигнал в импульсный. Достигается это использованием сердечника переменного сечения. Первичная катушка размещается в области большого сечения, а вторичная — малого. При возникновении тока насыщение суженого участка магнитопровода возникает раньше. В итоге на выходе образуются пиковые броски напряжения — импульсы. Используются такие приборы в исследовательской технике как генераторы.
  2. Сдвоенный дроссель — другое его название компенсационный фильтр. В конструкции используется две одинаковые обмотки. Принцип работы основан на возникновении взаимоиндукции. Применяются в качестве фильтров блоков питания.
  3. Трансфлюксор — разрабатывался как прибор, предназначенный для хранения информации. Вызывал довольно большой интерес разработчиков ЭВМ и даже планировался использоваться на космических ракетах. Но испытания, проводимые в военно-инженерном институте радиоэлектроники Казахстана, оказались удручающими. Трансформаторлар (казахское — трансформатор) при считывании разрушал хранимые информационные блоки. Отличие же его от других видов заключалось в увеличенной намагниченности из-за использования сердечника с двумя отверстиями.
  4. Вращающийся трансформатор — представляет собой прибор, сердечник которого разделён на две части. На каждой половине намотана своя обмотка. Одна из них вращается по отношению к другой, что позволяет передавать сигналы на подвижные части различных радиоустройств, например, головку видеомагнитофона.

Обозначение на схеме

Чтение схем трансформатора
Условное обозначение трансформаторов на схеме и в специализированной литературе зависит от конструктивных особенностей изображаемой модели устройства. Но в общем случае на его рисунке указывается сердечник — толстая вертикальная линия, первичная обмотка (слева) и вторичная (справа). Сами катушки изображаются параллельно сердечнику в виде полуокружностей. Их количество нигде не регламентируется. Жирная точка, стоящая у полуокружностей, обозначает начало обмотки.

При указании особенности конструкции изображение сердечника может изменяться. Так, магнитопровод с магнитным зазором выполняется линией с разрывом посредине, если сердечник изготовлен из магнитодиэлектрика, используется тонкая пунктирная линия. Если есть необходимость указать материал, из которого сделан сердечник, то сверху линии ставится символ, соответствующий таблице Менделеева, например, Cu.

Таким образом, под словом трансформатор понимается электронный аппарат, предназначенный для повышения или понижения напряжения электрического тока. Эти его свойства нашли широкое применение как в аналоговой, так и цифровой технике. При этом ключевым элементом, обеспечивающим передачу энергии от электростанций к потребителям, также является трансформатор.

Техника безопасности

В процессе эксплуатации требуется соблюдение определенных правил:

  • при появлении трещин на корпусе, шума или вибрации автотрансформатор немедленно отключается;
  • запрещено оставлять без присмотра оборудование, для которого предусмотрен непрерывный контроль;
  • нельзя подключать двигатель, мощность которого больше чем на 70% превышает мощность автотрансформатора;
  • это приборы нельзя использовать открытыми, накрывать, закрывать отверстия для вентиляции, размещать на них другое оборудование или предметы.

При проведении ремонта автотрансформатора или прибора, в состав которого он входит, обязательно отключение от электросети.

Расшифровка основных параметров

Разнообразие в конструкции и широкий диапазон параметров трансформаторов привели к необходимости их маркировки по специальному стандарту. Не имея под рукой технического описания, характеристики устройства можно выяснить по нанесённой на его поверхности информации, выраженной буквенно-цифровым кодом.

Маркировка силовых трансформаторов содержит 4 блока.

блоки расшифровка

Скачать и посмотреть ГОСТ 15150 можно здесь(откроется в новой вкладе в PDF формате):Смотреть файл

Расшифруем первые три блока:

расшифровка
Расшифровка маркировки: 1,2,3 блока

  1. Первая буква «А» прикреплена за автотрансформаторами. При её отсутствии буквы «Т» и «О» соответствуют трёхфазным и однофазным трансформаторам.
  2. Наличие далее буквы «Р» информирует об устройствах с расщеплённой обмоткой.
  3. Третья буква означает охлаждение, масляной естественной системе охлаждения присвоена литера «М». Естественному воздушному охлаждению выделена буква «С», масляное с принудительным обдувом обозначается «Д», с принудительной циркуляцией масла – «Ц». Сочетание «ДЦ» указывает на наличие принудительной циркуляции масла с одновременным воздушным обдувом.
  4. Литерой «Т» помечаются трёхобмоточные преобразователи.
  5. Последний знак характеризует особенности трансформатора:
  • «Н» – РПН(регулировка напряжения под нагрузкой);
  • пробел – переключение без возбуждения;
  • «Г» – грозозащищенный.

Конструкция и принцип работы

Обязательными элементами практически любого устройства преобразования напряжения являются изолированные обмотки, формированные из проволоки или ленты. Они располагаются на магнитопроводе, представленном сердечником из ферромагнитного материала. Связь между катушками осуществляется при помощи магнитного потока. В случае работы с высокочастотными токами (100 и более кГц) сердечник отсутствует.

Принцип работы трансформатора
Принцип работы трансформатора

В принципе работы трансформатора сочетаются основные постулаты электромагнетизма и электромагнитной индукции. Его можно рассмотреть на примере простейшего прибора с двумя катушками и стальным сердечником. Подача переменного напряжения на первичную обмотку приводит к возникновение магнитного потока в магнитопроводе, после чего во вторичной и первичной обмотке возникает ЭДС индукции, если подключить нагрузку ко вторичной обмотке то потечёт ток. Частота напряжения на выходе остаётся неизменной, а его величина зависит от соотношения витков катушек.

Трансформаторы бывают повышающие и понижающие, что бы это определить нужно узнать коэффициент трансформации , с его помощью можно узнать какой трансформатор. Если коэффициент меньше 1 то трансформатор повышающий(также это можно определить по значениям если во вторичной обмотке больше чем в первичной то такой повышающий) и наоборот если К>1, то понижающий(если в первичной обмотке меньше витков чем во вторичной).

Также читайте:  Что такое сварочный трансформаторФормула по вычислению коэффициента трансформации
Формула по вычислению коэффициента трансформации

где:

  • U1 и U2 – напряжение в первичной и вторичной обмотки,
  • N1 и N2 – количество витков в первичной и вторичной обмотке,
  • I1 и I2 – ток в первичной и вторичной обмотки.

Конструкция силового трансформатора:

Конструкция трансформатора

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:

  • КПД;
  • 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.

Области применения

Кроме преобразования напряжений в электрических сетях, трансформаторы часто применяются в блоках питания радиоэлектронных устройств. Преимущественно это автотрансформаторы, которые одновременно выдают несколько напряжений для различных узлов.

Сегодня все чаще используют бестрансформаторные блоки питания. Однако там где требуется питание мощным переменным током, без электромагнитных устройств не обойтись.

Источники

  • https://www.asutpp.ru/transformator-prostymi-slovami.html
  • https://elektroshkola.ru/transformatory/transformatory-naznachenie-vidy-i-xarakteristiki/
  • https://rusenergetics.ru/novichku/primenenie-elektricheskogo-transformatora
  • https://amperof.ru/elektropribory/transformator-vidy-primenenie.html
  • https://oooevna.ru/vidy-transformatorov/
  • https://OFaze.ru/elektrooborudovanie/transformator
  • https://ProTransformatory.ru/vidy/naznachenie-i-ustrojstvo

Оцените статью
О трансформаторе
Adblock
detector