Принцип работы трансформатора и типы приборов. Что такое трансформатор и где он был изобретен? Трансформатор и его виды

Трансформатор представляет собой устройство, которое преобразовывает напряжение переменного тока (повышает или понижает). Состоит трансформатор из нескольких обмоток (двух или более), которые намотаны на общий ферромагнитный сердечник. Если трансформатор состоит только из одной обмотки, то он называется автотрансформатором. Современные трансформаторы тока бывают: стержневыми, броневыми или тороидальными. Все три типа трансформаторов имеют похожие характеристики, и надежность, но отличаются друг от друга способом изготовления.

В трансформаторах стержневого типа обмотка намотана на сердечник, а в трансформаторах стержневого типа обмотка включается в сердечник. В трансформаторе стержневого типа обмотки хорошо видны, а из сердечника видна только нижняя и верхняя часть. Сердечник броневого трансформатора скрывает в себе практически всю обмотку. Обмотки трансформатора стержневого типа расположены горизонтально, в то время как это расположение в броневом трансформаторе может быть как вертикальным, так и горизонтальным.

Независимо от типа трансформатора, в его состав входят такие три функциональные части: магнитная система трансформатора (магнитопровод), обмотки, а также система охлаждения.

Принцип работы трансформатора

В трансформаторе принято выделять первичную и вторичную обмотку. К первичной обмотке напряжение подводится, а от вторичной отводится. Действие трансформатора основано на законе Фарадея (законе электромагнитной индукции): изменяющийся во времени магнитной поток через площадку, ограниченную контуром, создает электродвижущую силу. Справедливо также обратное утверждение: изменяющийся электрический ток индуцирует изменяющееся магнитное поле.

В трансформаторе есть две обмотки: первичная и вторичная. Первичная обмотка получает запитку от внешнего источника, а с вторичной обмотки напряжение снимается. Переменный ток первичной обмотки создает в магнитопроводе переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создает ток во вторичной обмотке.

Режимы работы трансформатора

Существуют такие три режима работы трансформатора: холостой ход, режим короткого замыкания, рабочий режим. Трансформатор «на холостом ходу», когда выводы от вторичных обмоток никуда не подключены. Если сердечник трансформатора изготовлен из магнитомягкого материала, тогда ток холостого хода показывает, какие в трансформаторе происходят потери на перемагничивание сердечника и вихревые токи.

В режиме короткого замыкания выводы вторичной обмотки соединены между собой накоротко, а на первичную обмотку подают небольшое напряжение, с таким расчетом, чтобы ток короткого замыкания был равен номинальному току трансформатора. Величину потерь (мощность) можно посчитать, если напряжение во вторичной обмотке умножить на ток короткого замыкания. Такой режим трансформатора находит свое техническое применение в измерительных трансформаторах.

Если подключить нагрузку к вторичной обмотке, то в ней возникает ток, индуцирующий магнитный поток, направленный противоположно магнитному потоку в первичной обмотке. Теперь в первичной обмотке ЭДС источника питания и ЭДС индукции питания не равны, поэтому ток в первичной обмотке увеличивается до тех пор, пока магнитный поток не достигнет прежнего значения.

Для трансформатора в режиме активной нагрузки справедливо равенство:
U_2/U_1 =N_2/N_1 , где U2, U1 – мгновенные напряжения на концах вторичной и первичной обмоток, а N1, N2 – количество витков в первичной и вторичной обмотке. Если U2 > U1, трансформатор называется повышающим, в противном случае перед нами понижающий трансформатор. Любой трансформатор принято характеризовать числом k, где k – коэффициент трансформации.

Виды трансформаторов

В зависимости от своего применения и характеристик трансформаторы бывают нескольких видов. К примеру, в электрических сетях населенных пунктов, промышленных предприятий применяют трансформаторы силовые, основной задачей которых является понижение напряжения в сети до общепринятого – 220 В.

Если трансформатор предназначен для регулировки тока, он называется трансформатор тока, а если устройство регулирует напряжение – то это трансформатор напряжения. В обычных сетях применяются однофазные трансформаторы, в сетях на три провода (фаза, ноль, заземление) нужен трехфазный трансформатор.

Бытовой трансформатор, 220В предназначается для защиты бытовой техники от перепадов напряжения.

Сварочный трансформатор предназначен для разделения сварочной и силовой сети, для понижения напряжения в сети до нужной для сварки величины.

Масляный трансформатор предназначается для использования в сетях с напряжением выше 6 000 Вольт. Конструкция трансформатора включает в себя: магнитопровод, обмотки, бак, а также крышки с вводами. Магнитопровод состоит из 2 листов электротехнической стали, которые изолированы друг от друга, обмотки, как правило, делают из алюминиевого или медного провода. Регулировка напряжения производится с помощью ответвления, которое соединяется с переключателем.

Существует два вида переключения ответвлений: переключение под нагрузкой - РПН (регулирование под нагрузкой), а также без нагрузки, после того, как трансформатор отключен от внешней сети (ПБВ, или переключение без возбуждения). Большее распространение получил второй способ регулировки напряжения.

Говоря о видах трансформаторов, нельзя не рассказать об электронном трансформаторе. Электронный трансформатор представляет собой специализированный источник питания, который служит для преобразования напряжения 220В в 12 (24)В, при большой мощности. Электронный трансформатор намного меньше обычного, при тех же самых параметрах нагрузки.

Уравнения идеального трансформатора

Для того чтобы рассчитать основные характеристики трансформаторов, принято пользоваться простыми уравнениями, которые знает каждый современный школьник. Для этого используют понятие идеального трансформатора. Идеальным трансформатором называется такой трансформатор, в котором нет потерь энергии на нагрев обмоток и вихревые токи. В идеальном трансформаторе энергия первичной цепи превращается полностью в энергию магнитного поля, а затем – в энергию вторичной обмотки. Именно поэтому мы можем написать:
P1= I1*U1 = P2 = I2*U2 ,
где P1, P2 – мощности электрического тока в первичной и вторичной обмотке соответственно.

Магнитопровод трансформатора

Магнитопровод представляет собой пластины из электротехнической стали, которые концентрируют в себе магнитное поле трансформатора. Полностью собранная система с деталями, скрепляющими трансформатор в единое целое – это остов трансформатора. Та часть магнитопровода, на которой крепятся обмотки, называется стержнем трансформатора. Часть магнитопровода, которая не несет на себе обмотку и замыкает магнитную цепь, называется ярмом.

В трансформаторе стержни могут располагаться по-разному, поэтому выделяют такие четыре типа магнитопроводов (магнитных систем): плоская магнитная система, пространственная магнитная система, симметричная магнитная система, несимметричная магнитная система.

Обмотка трансформатора

Теперь поговорим об обмотке трансформатора. Основная часть обмотки – виток, который однократно обхватывает магнитопровод и в котором индуцируется магнитное поле. Под обмоткой понимают сумму витков, ЭДС всей обмотки равна сумме ЭДС в каждом витке.

В силовых трансформаторах обмотка обычно состоит из проводников, имеющих квадратное сечение. Такой проводник по-другому еще называется жилой. Проводник квадратного сечения используется для того, чтобы более эффективно использовать пространство внутри сердечника. В качестве изоляции каждой жилы может использоваться либо бумага, либо эмалевый лак. Две жилы могут быть соединены между собой, и иметь одну изоляцию – такая конструкция называется кабелем.

Обмотки бывают следующих типов: основные, регулирующие и вспомогательные. Основной называется обмотка, к которой подводится или от которой отводится ток (первичная и вторичная обмотка). Обмотка с выводами для регулирования коэффициента трансформации напряжения называется регулирующей.

Применение трансформаторов

Из курса школьной физики известно, что потери мощности в проводах прямо пропорциональны квадрату силы тока. Поэтому для передачи тока на большие расстояния напряжение повышают, а перед подачей потребителю наоборот, понижают. В первом случае нужны повышающие трансформаторы, а во втором – понижающие. Это основное применение трансформаторов.

Трансформаторы применяются также в схемах питания бытовых приборов. Например, в телевизорах применяют трансформаторы, имеющие несколько обмоток (для питания схем, транзисторов, кинескопа, и т.д.).

1. Изоляция трансформатора на основе безматричной вакуумной пропитки и работает в среде с высокой влажностью воздуха и в химически агрессивной атмосфере.
2. Минимальное выделение энергии горения (например, 43 кг для трансформатора 1600 кВА соответствуют 1,1% веса). Другие изоляционные материалы являются практически негорючими, самозатухающими и не содержат каких-либо токсичных добавок.
3. Устойчивость трансформатора к загрязнениям благодаря конвекционным самоочищающимся дискам обмотки.
4. Большая длина утечки по поверхности дисков обмотки, которые создают эффект изоляционных барьеров.
5. Устойчивость трансформатора к температурной ударной нагрузке даже при крайне низких температурах (-50°С).
6. Керамические блоки прокладки (без возможности возгорания) между дисками обмотки.
7. Изоляция проводников стекло-шелк.
8. Безопасность эксплуатации трансформатора благодаря специальной структуре обмотки Воздействие напряжения на изоляцию никогда не превышает напряжение изоляции (не более 10 В). Частичные разряды в изоляции физически невозможны.
9. Охлаждение трансформатора обеспечивается вертикальными и горизонтальным каналам охлаждения, а минимальная толщина изоляции обеспечивают возможность работы трансформатора при больших кратковременных перегрузках в защитном корпусе IP 45 без принудительного охлаждения.
10. Изоляционный цилиндр сделан и практически негорючего и самозатухающего материала, армированного стекловолокном.
11. Обмотка низкого напряжения из стандартного провода или фольги; в качестве материала обмотки используется медь.
12. Динамическая устойчивость трансформатора к коротким замыканиям обеспечивается керамическими изоляторами.

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Трансформаторы широко используют для следующих целей.

Для передачи и распределения электрической энергии. Обычно на электростанциях генераторы переменного тока вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6-24 кВ.

Для питания различных цепей радио- и телевизионной аппаратуры; устройств связи, автоматики в телемеханики, электробытовых приборов; для разделения электрических цепей различных элементов этих устройств; для согласования напряжений

Для включения электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов, например реле, в электрические цепи высокого напряжения или в цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопасности. Трансформаторы, применяемые для этой цели, называют измерительными. Они имеют сравнительно небольшую мощность, определяемую мощностью, потребляемой электроизмерительными приборами, реле и др.

Принцип действия трансформатора

Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора состоит из двух обмоток (рис. 2.1), разме­щенных на замкнутом магнитопроводе, который выполнен из ферромагнитного материала. Применение ферромагнитного магнитопровода позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т. е. уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому проходит магнитный поток машины. Первичную обмотку 1 подключают к источнику переменного тока - электрической сети с напряжением u 1 . Ко вторичной обмотке 2 присоединяют сопротивление нагрузки Z H .

Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а низкого напряжения - обмоткой низшего напряжения (НН). Начала и концы обмотки ВН обозначают буквами А и X; обмотки НН - буквами а и х.

При подключении к сети в первичной обмотке возникает переменный ток i 1 , который создает переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуцирует в обеих обмотках переменные ЭДС - е 1 и е 2 , пропорциональные, согласно закону Максвелла, числам витков w 1 и w 2 соответствующей обмотки и скорости изменения потока d Ф/dt .

Таким образом, мгновенные значения ЭДС, индуцированные в каждой обмотке,

е 1 = - w 1 dФ/dt; е2= -w 2 dФ/dt .

Следовательно, отношение мгновенных и действующих ЭДС в обмотках определяется выражением

Следовательно, подбирая соответствующим образом числа витков обмоток, при заданном напряжении U 1 можно получить желаемое напряжение U 2 . Если необходимо повысить вторичное напряжение, то число витков w 2 берут больше числа w 1 ; такой трансформатор называют повышающим. Если требуется уменьшить напряжение U 2 , то число витков w 2 берут мень­шим w 1 ; такой трансформатор называют понижающим,

Отношение ЭДС Е ВН обмотки высшего напряжения к ЭДС Е НН обмотки низшего напряжения (или отношение их чисел витков) называют коэффициентом трансформации

k = Е ВН /Е НН = w ВН /w НН

Коэффициент k всегда больше единицы.

В системах передачи и распределения энергии в ряде слу­чаев применяют трехобмоточные трансформаторы, а в устрой­ствах радиоэлектроники и автоматики - многообмоточные трансформаторы. В таких трансформаторах на магнитопроводе размещают три или большее число изолированных друг от друга обмоток, что дает возможность при питании одной из обмоток получать два или большее число различных напряжений (U 2 , U 3 , U 4 и т.д.) для электроснабжения двух или большего числа групп потребителей. В трехобмоточных силовых трансформаторах различают обмотки высшего, низшего и среднего (СН) напряжений.

В трансформаторе преобразуются только напряжения и токи. Мощность же остается приблизительно постоянной (она несколько уменьшается из-за внутренних потерь энергии в трансформаторе). Следовательно,

I 1 /I 2 ≈ U 2 /U 1 ≈ w 2 /w 1 .

При увеличении вторичного напряжения трансформатора в k раз по сравнению с первичным, ток i 2 во вторичной обмотке соответственно уменьшается в k раз.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора под­ключить к источнику постоянного тока, то в его магнито-проводе образуется магнитный поток, постоянный во времени по величине и направлению. Поэтому в первичной и вторичной обмотках в установившемся режиме не индуцируются ЭДС, а следовательно, не передается электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Такой режим опасен для трансформатора, так как из-за отсутствия ЭДС E 1 первич­ной обмотке ток I 1 =U 1 R 1 весьма большой.

Важным свойством трансформатора, используемым в устройствах автоматики и радиоэлектроники, является способность его преобразовывать нагрузочное сопротивление. Если к источнику переменного тока подключить сопротивление R через трансформатор с коэффициентом трансформации к, то для цепи источника

R" = P 1 /I 1 2 ≈ P 2 /I 1 2 ≈ I 2 2 R/I 1 2 ≈ k 2 R

где Р 1 - мощность, потребляемая трансформатором от источ­ника переменного тока, Вт; Р 2 = I 2 2 R ≈ P 1 - мощность, по­требляемая сопротивлением R от трансформатора.

Таким образом, трансформатор изменяет значение сопро­тивления R в k 2 раз. Это свойство широко используют при разработке различных электрических схем для согласования сопротивлений нагрузки с внутренним сопротивлением источ­ников электрической энергии.

Продолжаем знакомство с электронными компонентами и в этой статье рассмотрим устройство и принцип работы трансформатора .

Трансформаторы нашли широкое применение в радио и электротехнике и применяются для передачи и распределения электрической энергии в сетях энергосистем, для питания схем радиоаппаратуры, в преобразовательных устройствах, качестве сварочных трансформаторов и т.п.

Трансформатор предназначен для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины.

В большинстве случаев трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода (сердечника) с расположенными на нем двумя (обмотками) электрически не связанных между собой. Магнитопровод изготавливают из ферромагнитного материала, а обмотки мотают медным изолированным проводом и размещают на магнитопроводе.

Одна обмотка подключается к источнику переменного тока и называется первичной (I), с другой обмотки снимается напряжение для питания нагрузки и обмотка называется вторичной (II). Схематичное устройство простого трансформатора с двумя обмотками показано на рисунке ниже.

1. Принцип работы трансформатора.

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции .

Если на первичную обмотку подать переменное напряжение U1 , то по виткам обмотки потечет переменный ток Io , который вокруг обмотки и в магнитопроводе создаст переменное магнитное поле . Магнитное поле образует магнитный поток Фo , который проходя по магнитопроводу пересекает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует (наводит) в них переменные ЭДС – е1 и е2 . И если к выводам вторичной обмотки подключить вольтметр, то он покажет наличие выходного напряжения U2 , которое будет приблизительно равно наведенной ЭДС е2 .

При подключении к вторичной обмотке нагрузки, например, лампы накаливания, в первичной обмотке возникает ток I1 , образующий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф1 изменяющийся с той же частотой, что и ток I1 . Под воздействием переменного магнитного потока в цепи вторичной обмотки возникает ток I2 , создающий в свою очередь противодействующий согласно закону Ленца магнитный поток Ф2 , стремящийся размагнитить порождающий его магнитный поток.

В результате размагничивающего действия потока Ф2 в магнитопроводе устанавливается магнитный поток Фo равный разности потоков Ф1 и Ф2 и являющийся частью потока Ф1 , т.е.

Результирующий магнитный поток Фo обеспечивает передачу магнитной энергии из первичной обмотки во вторичную и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу е2 , под воздействием которой во вторичной цепи течет ток I2 . Именно благодаря наличию магнитного потока Фo и существует ток I2 , который будет тем больше, чем больше Фo . Но и в то же время чем больше ток I2 , тем больше противодействующий поток Ф2 и, следовательно, меньше Фo .

Из сказанного следует, что при определенных значениях магнитного потока Ф1 и сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки устанавливаются соответствующие значения ЭДС е2 , тока I2 и потока Ф2 , обеспечивающие равновесие магнитных потоков в магнитопроводе, выражаемое формулой приведенной выше.

Таким образом, разность потоков Ф1 и Ф2 не может быть равна нулю, так как в этом случае отсутствовал бы основной поток Фo , а без него не мог бы существовать поток Ф2 и ток I2 . Следовательно, магнитный поток Ф1 , создаваемый первичным током I1 , всегда больше магнитного потока Ф2 , создаваемого вторичным током I2 .

Величина магнитного потока зависит от создающего его тока и от числа витков обмотки, по которой он проходит.

Напряжение вторичной обмотки зависит от соотношения чисел витков в обмотках . При одинаковом числе витков напряжение на вторичной обмотке будет приблизительно равно напряжению, подаваемому на первичную обмотку, и такой трансформатор называют разделительным .

Если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подаваемого на первичную обмотку, и такой трансформатор называют повышающим .

Если же вторичная обмотка содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее будет меньше, чем напряжение подаваемое на первичную обмотку, и такой трансформатор называют понижающим .

Следовательно. Путем подбора числа витков обмоток, при заданном входном напряжении U1 получают желаемое выходное напряжение U2 . Для этого пользуются специальными методиками по расчету параметров трансформаторов, с помощью которых производится расчет обмоток, выбирается сечение проводов, определяются числа витков, а также толщина и тип магнитопровода.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока . Если его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то в магнитопроводе образуется магнитный поток постоянный во времени, по величине и направлению. В этом случае в первичной и вторичной обмотках не будет индуцироваться переменное напряжение, а следовательно, не будет передаваться электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Однако если в первичной обмотке трансформатора будет течь пульсирующий ток, то во вторичной обмотке будет индуцироваться переменное напряжение частота которого будет равна частоте пульсации тока в первичной обмотке.

2. Устройство трансформатора.

2.1. Магнитопровод. Магнитные материалы.

Назначение магнитопровода заключается в создании для магнитного потока замкнутого пути, обладающего минимальным магнитным сопротивлением. Поэтому магнитопроводы для трансформаторов изготавливают из материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях. Материалы должны иметь малые потери на вихревые токи, чтобы не перегревать магнитопровод при достаточно больших значениях магнитной индукции, быть достаточно дешевыми и не требовать сложной механической и термической обработки.

Магнитные материалы , используемые для изготовления магнитопроводов, выпускаются в виде отдельных листов, либо в виде длинных лент определенной толщины и ширины и называются электротехническими сталями .
Листовые стали (ГОСТ 802-58) изготавливаются методом горячей и холодной прокатки, ленточные текстурованные стали (ГОСТ 9925-61) только методом холодной прокатки.

Также применяют железноникелевые сплавы с высокой магнитной проницаемостью, например, пермаллой, перминдюр и др. (ГОСТ 10160-62), и низкочастотные магнитомягкие ферриты.

Для изготовления разнообразных относительно недорогих трансформаторов широко применяются электротехнические стали , имеющие небольшую стоимость и позволяющие трансформатору работать как при постоянном подмагничивании магнитопровода, так и без него. Наибольшее применение нашли холоднокатаные стали, имеющие лучшие характеристики по сравнению со сталями горячей прокатки.

Сплавы с высокой магнитной проницаемостью применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, предназначенных для работы при повышенных и высоких частотах 50 – 100 кГц.

Недостатком таких сплавов является их высокая стоимость. Так, например, стоимость пермаллоя в 10 – 20 раз выше стоимости электротехнической стали, а пермендюра – в 150 раз. Однако в ряде случаев их применение позволяет существенно снизить массу, объем и даже общую стоимость трансформатора.

Другим их недостатком является сильное влияние на магнитную проницаемость постоянного подмагничивания, переменных магнитных полей, а также низкая стойкость к механическим воздействиям – удар, давление и т.п.

Из магнитомягких низкочастотных ферритов с высокой начальной проницаемостью изготавливают прессованные магнитопроводы , которые применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, работающих на высоких частотах от 50 – 100 кГц. Достоинством ферритов является невысокая стоимость, а недостатком является низкая индукция насыщения (0,4 – 0,5 Т) и сильная температурная и амплитудная нестабильность магнитной проницаемости. Поэтому их применяют лишь при слабых полях.

Выбор магнитных материалов производится исходя из электромагнитных характеристик с учетом условий работы и назначения трансформатора.

2.2. Типы магнитопроводов.

Магнитопроводы трансформаторов разделяются на шихтованные (штампованные) и ленточные (витые), изготавливаемые из листовых материалов и прессованные из ферритов.

Шихтованные магнитопроводы набираются из плоских штампованных пластин соответствующей формы. Причем пластины могут быть изготовлены практически из любых, даже очень хрупких материалов, что является достоинством этих магнитопроводов.

Ленточные магнитопроводы изготавливаются из тонкой ленты, намотанной в виде спирали, витки которой прочно соединены между собой. Достоинством ленточных магнитопроводов является полное использование свойств магнитных материалов, что позволяет уменьшить массу, размеры и стоимость трансформатора.

В зависимости от типа магнитопровода трансформаторы подразделяются на стрежневые , броневые и тороидальные . При этом каждый из этих типов может быть и стрежневым и ленточным.

Стержневые .

В магнитопроводах стержневого типа обмотки располагается на двух стержнях (стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки). Это усложняет конструкцию трансформатора, но уменьшает толщину намотки, что способствует снижению индуктивности рассеяния, расхода проволоки и увеличивает поверхность охлаждения.

Стержневые магнитопроводы используют в выходных трансформаторах с малым уровнем помех, так как они малочувствительны к воздействию внешних магнитных полей низкой частоты. Это объясняется тем, что под влиянием внешнего магнитного поля в обеих катушках индуцируются напряжения, противоположные по фазе, которые при равенстве витков обмоток компенсируют друг друга. Как правило, стержневыми выполняются трансформаторы большой и средней мощности.

Броневые .

В магнитопроводе броневого типа обмотка располагается на центральном стержне. Это упрощает конструкцию трансформатора, позволяет получить более полное использование окна обмоткой, а также создает некоторую механическую защиту обмотки. Поэтому такие магнитопроводы получили наибольшее применение.

Некоторым недостатком броневых магнитопроводов является их повышенная чувствительность к воздействию магнитных полей низкой частоты, что делает их малопригодными к использованию в качестве выходных трансформаторов с малым уровнем помех. Чаще всего броневыми выполняются трансформаторы средней мощности и микротрансформаторы.

Тороидальные .

Тороидальные или кольцевые трансформаторы позволяют полнее использовать магнитные свойства материала, имеют малые потоки рассеивания и создают очень слабое внешнее магнитное поле, что особенно важно в высокочастотных и импульсных трансформаторах. Но из-за сложности изготовления обмоток не получили широкого применения. Чаще всего их делают из феррита.

Для уменьшения потерь на вихревые токи шихтованные магнитопроводы набираются из штампованных пластин толщиной 0,35 – 0,5 мм, которые с одной стороны покрывают слоем лака толщиной 0,01 мм или оксидной пленкой.

Лента для ленточных магнитопроводов имеет толщину от нескольких сотых до 0,35 мм и также покрывается электроизолирующей и одновременно склеивающейся суспензией или оксидной пленкой. И чем тоньше слой изоляции, тем плотнее происходит заполнение сечения магнитопровода магнитным материалом, тем меньше габаритные размеры трансформатора.

За последнее время наряду с рассмотренными «традиционными» типами магнитопроводов находят применение новые формы, к числу которых следует отнести магнитопроводы «кабельного» типа, «обращенный тор», катушечный и др.

На этом пока закончим. Продолжим во .
Удачи!

Литература:

1. В. А. Волгов – «Детали и узлы радио-электронной аппаратуры», Энергия, Москва 1977 г.
2. В. Н. Ванин – «Трансформаторы тока», Издательство «Энергия» Москва 1966 Ленинград.
3. И. И. Белопольский – «Расчет трансформаторов и дросселей малой моности», М-Л, Госэнергоиздат, 1963 г.
4. Г. Н. Петров – «Трансформаторы. Том 1. Основы теории», Государственное Энергетическое Издательство, Москва 1934 Ленинград.
5. В. Г. Борисов, – «Юный радиолюбитель», Москва, «Радио и связь» 1992 г.

В данной статье мы рассмотри, что такое трансформатор. Виды трансформаторов будут описаны, принцип действия и конструкции тоже не останутся без внимания. Стоит отметить, что это вид статических (неподвижных) машин переменного тока, которые используются для различных целей не только в быту, но и в промышленности. Например, для учета потребляемой электроэнергии. Но обо всем по порядку.

Что это за устройство?

Это электрическая статическая машина, которая используется для преобразования тока или напряжения. Причем можно выделить несколько видов устройств в зависимости от того, от какой сети производится питание. Так, трехфазные имеют три сетевые обмотки, которые включаются по схеме «звезда» или «треугольник». В этом можно провести аналогию с асинхронными электродвигателями. Существуют разнообразные виды силовых трансформаторов, о которых будет рассказано немного ниже.

Но в быту используются устройства, в которых одна сетевая обмотка. К тому же имеется как минимум одна вторичная, которая служит для питания устройств. Например, в ламповой технике применяются у которых несколько вторичных обмоток. Возникала необходимость с одного устройства получать несколько значений напряжения: 6,3 В, 250 В. Кроме того, в быту можно встретить трансформаторы тока. Они установлены в электросчетчиках и служат для работы устройства контроля.

Конструкция

Основу трансформатора выделить сложно, но если опираться на вес, то это, несомненно, сердечник (магнитопровод). Он изготавливается из стальных листов, которые собраны воедино и плотно стянуты друг с другом. Это позволяет получить максимально возможное сечение магнитопровода. Но не только сталь может применяться, нередко изготавливаются сердечники из ферромагнетиков. Это вещество, которое по свойствам очень схоже с металлом, но имеет несколько иную структуру. Существуют определенные виды трансформаторов, фото основных конструкций приведены в статье.

В конструкции присутствует минимум две обмотки. На одну (первичную) производится подача напряжения питания. Со второй, третьей, N-ной, снимается пониженное напряжение с частотой и формой, аналогичной входному. Обмотки силовых состоят из медного провода. Он наматывается на каркасе, расположенном вокруг магнитопровода. При подаче напряжения в первичную цепь появляется переменное которое во вторичной обмотке индуцирует ЭДС. В результате этого на выходе появляется некоторая разность потенциалов.

Силовые трансформаторы

К указанным типам относятся те, которые преобразуют электроэнергию в сети. Это не только устанавливаемый на подстанциях трансформатор. Виды трансформаторов силовых разнообразны, они служат не только для понижения напряжения со 110 кВ, например, до 6 кВ, в случае с подстанцией. К ним можно отнести и устройства, используемые в блоках питания бытовой радиоаппаратуры. По сути, конструкция у всех аналогичная, имеются общие узлы.

Даже виды которых разнообразны, имеют аналогичное строение. Вот только есть мелкие нюансы, например, силовые машины на подстанциях оборудованы системой масляного охлаждения, в то время как сварочные работают без него. Зато у последних имеется регулировка выходного тока. Это необходимо для сварки различных по толщине металлов. Ну а устройства, используемые в быту, и вовсе лишены таких регулировок.

Автотрансформаторы

Автотрансформатор - один из видов, у которого первичная и вторичная обмотки соединены напрямую. Это позволяет получить не только электрическую связь в устройстве, но и электромагнитную. Обычно имеется у автотрансформатора три вывода, а это позволяет получать различные значения напряжения. Отличительная особенность автотрансформаторов - высокий Но есть и один существенный недостаток - первичная и электрически не изолированы друг от друга. Используется по большей части для регулирования мощности потребителя такой трансформатор. Виды трансформаторов для иных целей рассмотрены ниже.

Измерительные

Для использования в электроустановках переменного тока создан специальный вид трансформаторов - измерительный. Благодаря им увеличиваются пределы измерительных устройств. Кроме того, они позволяют без электрического соединения с силовым проводом провести замер протекающего по нему тока. Другими словами, без гальванической связи имеется возможность контроля протекающего тока в цепи. Но можно выделить два типа измерительных устройств - трансформаторы напряжения и тока. Существуют различные виды трансформаторов тока, их отличие в габаритах и области применения.

Трансформаторы тока позволяют осуществить преобразование. При этом большой ток, протекающий в цепи, снижается до безопасного значения. Причем он на выходе безопасен для систем управления или измерения, устройств сигнализации и защиты. Первичная обмотка - это отрезок проводника, вокруг него проведена намотка вторичной. С последней снимается ток в 1 или 5 Ампер. А вот трансформаторы напряжения предназначены для иной цели. Они производят понижение напряжения для измерения характеристик. С их помощью осуществляется защитных устройств от цепи с высоким напряжением.

Импульсные

Этот тип устройств используется для узкоспециализированных целей. Он необходим для преобразования серии импульсных сигналов. Причем длительность одного импульса может достигать нескольких десятков микросекунд. Причем имеется одна небольшая особенность - изменяется только амплитуда сигнала, но не его форма. Между прочим, имеются определенные виды защит также снабжаются схемами, предотвращающими превышение напряжения или тока.

Как правило, импульсные устройства применяются в цепях, в которых протекает сигнал прямоугольной формы. Зачастую такой вид устройств используется в телевизионной технике. Они преобразуют малые по длительности импульсы видеосигнала с очень большой скважностью. Причем на выходе вы получаете сигнал в первозданном виде, но с увеличенной амплитудой.

Заключение

Теперь вы знаете, что такое трансформатор. Виды трансформаторов мы рассмотрели и увидели, что все они обладают небольшими отличиями, несмотря на то, что конструкция во многом схожа. Обратите внимание, что при работе с любыми электрическими устройствами необходимо соблюдать технику безопасности. Кроме того, для обслуживания электросетей переменного тока необходимо иметь группу допуска.

Среди современных устройств электротехники одним из самых распространенных является трансформатор. Этот агрегат широко используется как в бытовых приборах, так и силовой электронике. Его действие заключается в преобразовании тока. Причем изменять его величину трансформатор может как в большую, так и меньшую сторону.

Определенным устройством обладает разнообразны. Они имеют некоторые конструкционные и функциональные отличия. Чтобы понять, что собой представляет подобное оборудование, а также особенности его эксплуатации, каждый вид следует рассмотреть подробно.

Устройство

Существующие сегодня виды трансформаторов тока обладают определенными общими характеристиками. Прибор имеет в своей системе одну, две и больше обмоток. Они расположены на один сердечник. Представленные сегодня в продаже трансформаторы отличаются способом изготовления. Их надежность зависит от производителя. Рабочие характеристики таких видов оборудования также схожи.

Трансформатор не предназначен для преобразования постоянного тока. В противном случае это приведет к перегреву проводника. Трансформаторы способны работать исключительно с переменным, импульсным и пульсирующим током.

Все разновидности представленного оборудования имеют в своем составе три обязательных компонента. К ним относится магнитопровод, охлаждающая система и обмотка. Первый компонент еще называют сердечником.

Принцип работы

Рассматривая назначение и виды трансформаторов , следует сказать несколько слов об их функциональных качествах. В таком оборудовании присутствует первичная и вторичная обмотка. К первой катушке подводится первоначальное напряжение. Его требуется повысить или понизить.

Вторичные обмотки могут состоять из одной или нескольких катушек. С них передается трансформированное напряжение. В основу работы такого прибора положен закон Фарадея. Магнитный поток, который изменяется во времени через ограниченную контуром площадку, формирует электродвижущие силы. Помимо этого, ток, который изменяется во времени, может индуцировать непостоянное магнитное поле.

На схемах трансформатор изображают как две (или более) катушки. Между первой и вторичными обмотками проходит вертикальная линия. Она изображает сердечник (магнитопровод). При выполнении возложенных на него функций трансформатор обладает малыми потерями энергии. Это сделало представленное оборудование востребованным.

Рабочие режимы

Существующие виды работы трансформатора можно выделить в 3 группы. К ним относится холостой ход, короткое замыкание и рабочий режим. В первом случае выводы вторичной обмотки никуда не подключаются. В этом режиме, если сердечник изготовлен из мягкого магнитного материала, ток покажет потери.

При коротком замыкании выводы катушек вторичной обмотки соединяются между собой. При этом на первичную обмотку будет подаваться незначительное напряжение. Этот режим присутствует в измерительных разновидностях трансформаторов.

При активной нагрузке возникают напряжения на концах всех типов обмотки. Если на вторичной обмотке это значение выше, трансформатор называется повышающим. И наоборот. Степень трансформации определяется при помощи заданного коэффициента.

Классификация

Существует несколько подходов к классификации представленного оборудования. Это позволяет понять его устройство и функции. Существующие виды трансформаторов тока могут классифицироваться по назначению. В этом случае выделяются приборы напряжения, измерительные, лабораторные, защитные, промежуточные типы.

По способу установки также выделяют несколько групп. От этого зависят условия, в которых может эксплуатироваться техника. Трансформаторы могут быть внутренние и наружные, стационарные, шинные или опорные, а также переносные.

Ступеней в системе может быть одна или несколько. По признаку номинального напряжения различают высоковольтные и низковольтные приборы. Если учитывать тип изоляции, можно также выделить несколько групп трансформаторов. Этот показатель зависит от технологии производства. Бывают приборы с компаундной, сухой и масляно-бумажной изоляцией.

Согласно со сферой применения, выделяют силовые, бытовые, сварочные, масляные, автотрансформаторы и т. д.

Силовой трансформатор

Существующие виды силовых трансформаторов относятся к низкочастотным приборам. Их применяют в силовых сетях предприятий, городов, поселков и т. д. Такое оборудование понижает напряжение в сети до требуемого значения 220 В.

Силовые трансформаторы могут иметь от двух и более обмоток. Они устанавливаются на броневом сердечнике. Чаще всего подобный конструкционный элемент изготавливают из электротехнической стали. Такой трансформатор помещается в бак со специальным маслом. Если мощность оборудования высокая, в ней применяется активное охлаждение.

Для электростанций применяются силовые трехфазные трансформаторы. Их мощность составляет до 4 тыс. кВт. Такие разновидности приборов позволяют добиться уменьшения на 15 % энергопотерь по сравнению с тремя однофазными трансформаторами.

Сетевые разновидности

В 80-е года прошлого века самым распространенным был сетевой трансформатор. Виды трансформаторов этого типа дорабатывались. Сегодня их изготавливают на Ш-подобном сердечнике, а также стержневых или тороидальных магнитопроводах. На них и устанавливаются обмотки.

При помощи подобного устройства напряжение, которое поступает из бытовой сети, понижается до требуемого значения (например, 12, 24 В). Самыми компактными считаются трансформаторы с тороидальным сердечником. Его магнитопровод полностью покрывается обмотками. При этом удается избежать появления пустого ярма.

Автотрансформатор

Существующие виды обмоток трансформатора очень разнообразны. Они могут быть регулирующими, основными, вспомогательными. Наиболее оригинальное строение имеет обмотка автотрансформатора. Это низкочастотный прибор. Его вторичная обмотка является составной частью первичной. Они связаны, как и в других видах трансформаторов, магнитно. Однако подобная обмотка сообщается также и электрически.

От одной катушки отходит несколько выводов, позволяя получить напряжение разного значения. Преимуществом такой конструкции является ее низкая стоимость. Провода для монтажа обмотки потребуется меньше. Также получается сэкономить на количестве материала сердечника. Вес автотрансформатора будет меньше, чем у других типов оборудования.

Однако в этом типе приборов отсутствует гальваническая развязка. Это недостаток автотрансформаторов. Такое оборудование применяется в автоматической технике управления, а также на высоковольтных коммуникациях. Сегодня большой популярностью пользуются трехфазные автотрансформаторы. Их соединенная обмотка образует треугольник или звезду.

Трансформатор тока и напряжения

Сегодня также выделяются определенные виды трансформаторов напряжения и тока. Все зависит о того, как функционирует прибор. Если он понижает ток, это, соответственно, трансформатор тока. Для регулировки напряжения также разработана определенная категория приборов.

Первичная обмотка трансформатора тока подключается к электричеству, а вторичная - к измерительным или защитным приборам. Чаще всего применяется первый тип устройств. Катушку с первичной обмоткой подключают в цепь последовательно. В ней измеряется переменный ток.

Сердечник такого оборудования изготавливают из шихтованной электротехнической стали. Ее производят холоднокатаным способом. Первичная обмотка чаще всего представляет собой шину. При работе подобного оборудования важно учитывать коэффициент трансформации.

Для промышленности могут выпускаться подобные приборы с несколькими группами вторичных обмоток. Одну из них соединяют с измерительными приборами (например, счетчикам), а вторую - к защитному оборудованию.

Импульсный трансформатор

Рассматривая, какие виды трансформаторов применяются сегодня, нельзя не сказать несколько слов об импульсных разновидностях представленных приборов. Они практически полностью вытеснили низкочастотные тяжелые трансформаторы. Их сердечник выполняется не из шихтовой стали, а из феррита. Форма магнитопровода может быть самой разной, например, чашка, кольцо, Ш-подобный тип.

Трансформаторы импульсного типа могут функционировать на высоких частотах (500 кГц и более). Благодаря такой особенности габариты подобных изделий значительно уменьшились. Требуется использовать меньше провода для обмотки.

Импульсные трансформаторы и дроссели с ферритовым стержнем сегодня применяются всюду. Их можно встретить в энергосберегающих лампочках, зарядных устройствах, мощных инверторах и т. д. Сфера их применения очень широка.

В некоторых трансформаторах импульсного типа применяется обратная схема питания. В этом случае прибор по своей сути является дросселем сдвоенного типа. При этом процессы приема и передачи электроэнергии протекают не одновременно.

Импульсный трансформатор тока

Чтобы иметь возможность измерять направление и величину тока, для импульсных схем часто применяется особый трансформатор. Виды трансформаторов этой группы имеют ферритовый сердечник. Чаще всего он имеет единственную кольцевую обмотку. Через ее центр продевается провод. В нем и исследуется ток. Обмотку при этом нагружают на резистор.

Измерение производится по несложной схеме. Если нагрузка выполняется на резистор известного номинала, то напряжение при замере на нем будет пропорциональным показателю тока обмотки.

В продаже присутствуют трансформаторы этого типа с различными показателями коэффициента трансформации. Если нужно узнать только направленность тока, прибор нагружается только двумя стабилизаторами, встроенными в схему.

Система защиты

Трансформаторы представляют собой надежное оборудование. Однако из-за различных повреждений может произойти аварийная ситуация. Поэтому применяются различные виды защит трансформатора .

Подобные системы отключают оборудование от сети при наличии повреждений. В зависимости от типа конструкции защита может отсоединить питание только от поврежденной части прибора. При обнаружении поломки система может подавать сигнал. При этом используют различные типы защиты автотрансформаторов.

Дифференциальная защита необходима при нарушениях целостности обмоток, ошиновки и вводов оборудования. Если же повреждения обнаруживаются со стороны происходит токовое отсекание. Это защита мгновенного действия.

Газовая защита применяется при повреждениях внутри бака. При этом может выделяться газ. Также она срабатывает при понижении уровня масла.

Максимальная токовая или направленная защита позволяет уберечь оборудование от сверхтоков. Также в некоторых конструкциях может предусматриваться защита от замыкания на корпус и от перегрузки. Последняя система действует на сигнал, оповещая персонал.

Рассмотрев особенности конструкции и принцип работы, можно понять, что собой представляет трансформатор. Виды трансформаторов , существующие сегодня, отличаются по ряду признаков. Это влияет на их функциональность.