Трансформатор простыми словами: устройство, принцип работы, виды

Что такое трансформатор?

Короче говоря, это стационарное устройство, используемое для преобразования переменного напряжения при сохранении частоты тока. Действие трансформатора основано на свойствах электромагнитной индукции.

Немного исторических фактов

Работа трансформатора была основана на явлении магнитной индукции, открытом М. Фарадеем в 1831 г. Физик, работая с электрическим постоянным током, заметил отклонение стрелки гальванометра, соединенной с одной из двух катушек, намотанных на сердечник. Причем гальванометр реагировал только в моменты смены первой катушки.

Поскольку опыты проводились от источника постоянного тока, Фарадей не мог объяснить обнаруженное явление.

Прототип трансформатора появился только в 1848 г. Его изобрел немецкий механик Г. Румкорф, и назвал устройство индукционной катушкой особой конструкции. Однако Румкорф не заметил трансформации выходных напряжений. Датой рождения первого трансформатора считается день выдачи патента П.Н. Яблочкову на изобретение блока с открытым сердечником. Это произошло 30 ноября 1876 года.

Типы устройств с закрытыми сердечниками появились в 1884 году. Их создали англичане Джон и Эдвард Гопкинсоны.

В общем и целом технический интерес электромехаников к переменному току возник только благодаря изобретению трансформатора. Идеи русского электротехника М. О. Доливо-Добровольского и всемирно известного Николы Теслы выиграли спор о преимуществах переменного напряжения именно благодаря возможности преобразования тока.

С победой идей этих великих электротехников потребность в трансформаторах резко возросла, что привело к совершенствованию и созданию новых типов устройств.

Функционирование системы

Принцип работы силового трансформатора основан на движении электродвижущей силы по обмоткам. Эти устройства работают исключительно на переменном токе. Если его подключить к обмотке, будет создаваться магнитный поток. Замыкается на магнитный привод.

В этот момент во второй обмотке возникает электродвижущая сила. Все катушки соединены в системе магнитным соединением. Показатель ЭДС будет пропорционален количеству витков в обмотке.

Принцип работы понижающего или повышающего трансформатора включает в себя несколько режимов. Каждый из них имеет свои особенности.

В рабочем режиме на первичную обмотку подается напряжение, а на вторичную нагрузка. В таком положении установка способна длительное время обеспечивать подключенных к ней потребителей электроэнергией. Режим работы может выполняться на холостом ходу и при коротком замыкании.

Отсутствие нагрузки происходит, когда вторичная обмотка разомкнута. В этот период исключается поступление электричества через него. Этот режим позволяет определить КПД устройства, потери намагниченности сердечника и коэффициент трансформации.

Короткое замыкание возникает при замыкании выводов вторичной катушки. В этом случае входной ток должен быть занижен на входе. На этом уровне создается вторичный поток без превышения. Представленная методика используется для определения уровня потерь в меди.

Аварийный режим определяется в случае нарушения работы системы. Рабочие параметры отклоняются от допустимых значений. Наиболее опасным состоянием считается короткое замыкание внутри обмоток. Это может привести к пожару и серьезному повреждению системы электропитания. Для предотвращения аварии используются различные автоматические системы защиты, сигнализации и отключения оборудования.

Общее устройство и принцип работы

Рассмотрим конструкцию простого трансформатора с двумя катушками, установленными на замкнутом магнитопроводе (см рис. 2). Катушка, на которую подается ток, будет называться первичной катушкой, а выходная катушка — вторичной катушкой.

Рисунок 2. Трансформаторный блок

Практически все типы трансформаторов используют электромагнитную индукцию для преобразования напряжения, подаваемого в первичную цепь. При этом выходное напряжение снимается со вторичных обмоток. Отличаются они только формой, материалами магнитопроводов и способами намотки катушек.

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

• стали;
• пермаллой;
• феррит.

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

В связи с тем, что свойства ферромагнетиков характеризуются нелинейностью намагничивания, сердечники изготавливают из листовых материалов, на которых размещают обмотки. Нелинейная индуктивность приводит к гистерезису, для уменьшения используемого метода смешения магнитопроводов.

Форма сердечника может быть W-образной или тороидальной.

Базовые принципы действия

При подаче синусоидального тока на выводы первичных обмоток он создает во второй катушке переменное магнитное поле, которое пронизывает магнитопровод. В свою очередь, изменение магнитного потока провоцирует индукцию ЭДС в катушках. При этом величина напряжения ЭДС в обмотках пропорциональна числу витков и частоте тока.

Отношение между числом витков в цепи первичной обмотки и числом витков вторичной катушки называется коэффициентом трансформации: k = W1/W2, где символы W1 и W2 обозначают число витков в витках.

Если k > 1, трансформатор является повышающим, а при 0 < k < 1 — понижающим. Например, когда число витков, составляющих первичную обмотку, в три раза меньше числа витков вторичной, то k = 1/3, значит, U2 = 1/3 U1.

Режимы работы

Силовой трансформатор может работать в трех режимах:

• в неактивном состоянии;
• в режиме нагрузки;
• в режиме короткого замыкания.

Поскольку в цепи разомкнутой вторичной обмотки тока нет, ток холостого хода в этом состоянии циркулирует по первичной обмотке. По параметрам этого тока рассчитывают КПД, определяют коэффициент трансформации и находят потери в сердечнике.

Основным режимом работы трансформатора является состояние, когда ко второй обмотке подключена номинальная нагрузка. Первичный ток можно выразить через результирующий ток холостого хода и номинальный ток сопротивления нагрузки.

В режиме короткого замыкания вторичной обмотки вся мощность сосредоточена в цепях обмотки. В этом состоянии можно определить потери, идущие на нагрев проводов в обмотках.

Технические характеристики

Важной характеристикой являются условия трансформации. Они показывают зависимость выходного напряжения от соотношения витков в обмотках. Коэффициент трансформации является основным параметром при расчете.

Еще одной важной характеристикой трансформатора является его КПД. В некоторых устройствах этот показатель составляет 0,9 — 0,98, что характеризует ничтожные потери магнитного поля на рассеяние. Мощность P зависит от площади поперечного сечения S магнитопровода. По величине S при расчете параметров трансформатора вы определяете количество витков в катушках: W = 50/S.

На практике мощность выбирается исходя из ожидаемой нагрузки с учетом потерь в сердечнике. Мощность вторичной обмотки Pн= Un×In, а мощность первичной обмотки Pс= Uс×Iс. В идеале Pн = Pс (если пренебречь потерями в сердечнике). Тогда k = Uc/Un = Ic/In, то есть токи в каждой из обмоток обратно пропорциональны их напряжениям, а значит, и числу витков.

Как устроены силовые трансформаторы

Ключевым узлом каждого устройства является магнитопровод (сердечник) с двумя и более обмотками. Изготовлен из стали с высокой магнитной проницаемостью. Обладает способностью быстро намагничиваться даже в слабых магнитных полях и быстро размагничиваться при отсутствии магнитного поля. Сердечник изготовлен из тонких металлических листов так, что стержни вписаны в окружность.

Обмотки силового трансформатора выполнены из меди или алюминия. Каждый виток обмотки изолирован от магнитопровода и других витков обмотки.

Между основными элементами в так называемой активной части трансформаторов, а именно обмотками, магнитопроводом и другими конструктивными элементами, оставлено специальное пространство для того, чтобы теплоноситель (масло) мог циркулировать и тем самым отводить тепло от обмоток и магнитная цепь.

В первичную обмотку подается электрический ток, а после преобразования в трансформаторе вторичный ток снимается со вторичной обмотки, которая отличается от первичной обмотки коэффициентом трансформации, зависящим от соотношения числа витков в первичной обмотки и вторичные обмотки.

Основные элементы конструкции силовых трансформаторов

1. Для электрического присоединения обмоток высокого (ВН), среднего (СН) или низкого (НН) напряжения к соответствующим устройствам электрической сети (генераторам, двигателям, линиям электропередач и т.п.) устанавливают вводы различных типов и конструкций на трансформаторах.

Так, например, вводы со стороны ВН имеют высокое номинальное напряжение, а вводы со стороны НН рассчитаны на высокие номинальные токи, что напрямую влияет на их конструкцию и габариты.

2. Для регулирования напряжения и, следовательно, тока на первичной и вторичной обмотках трансформатора путем изменения коэффициента трансформации за счет электрического соединения с разным числом витков обмоток применяют переключатели двух типов.

Один из них осуществляет переключение, т.е регулирование, под нагрузкой (РПН), а другой осуществляет переключение без нагрузки и без напряжения (ПБВ), то есть переключение без возбуждения.

Оба типа выключателей обычно устанавливают в высоковольтных обмотках, так как они имеют меньшие номинальные токи, что особенно важно для РПН из-за необходимости гашения меньшей энергии, выделяемой при переключении дуги, чем если бы она находилась на низковольтных сторона напряжения.

3. На масляных трансформаторах большой мощности устанавливается система охлаждения масла. Охлаждение масла происходит:

• естественный;
• натуральный с поддувом;
• принудительная — с направленным движением масла;
• вынужден дуть;
• принудительная нефть-вода.

Дополнительное навесное оборудование

Дополнительные насадки улучшают работу силовых трансформаторов (рис. 2). Это включает в себя:

1) защита, отключающая трансформатор или подающая предупредительные сигналы — газовое реле. Принцип действия газового реле защиты трансформатора основан на контроле давления газа. Реле врезано в маслопровод трансформатора между баком и расширителем.

В случае резкого повышения температуры, которое может произойти, например, из-за электрического разряда внутри бака трансформатора, масло начинает разрушаться, что приводит к образованию газа внутри трансформатора. Нагретые газы стремятся попасть в расширитель устройства, проходя через корпус реле;

2) система защиты от избыточного давления хладагента, работающая автоматически;

3) термоиндикаторы — измеряют температуру масла в маслонаполненном оборудовании;

4) прибор, измеряющий уровень масла;

5) система фильтрации и осушки масла;

6) осушители конденсата, образующегося под крышкой трансформатора, препятствуют его попаданию в масло.

Виды трансформаторов

Для решения задач преобразования напряжения в разных схемах изобретены трансформаторы разной конструкции. Производители выбирают свои концепции магнитопроводов (см рис. 4), которые не влияют на работу и параметры устройств:

• стержневой тип (в основном применяется для трехфазных конструкций);
• тип брони (трехфазные устройства);
• тороидальный тип сердечника часто применяется в трансформаторах, применяемых в различных электротехнических устройствах.

Типы магнитопроводов

Более широкий спектр охватывает классификация по назначению.

Читайте также: Что такое реле: виды, принцип работы, устройство реле

Силовые

Назначение силового трансформатора понятно из названия. Термин мощность используется для семейства моделей, обычно большой мощности, используемых для преобразования электрической энергии в линиях электропередач и в различных служебных установках.

При трансформации сохраняются частоты переменного тока, благодаря чему можно объединять силовые трансформаторы в группы для работы в высоковольтных трехфазных сетях.

Блоки питания могут быть соединены группами с разными схемами соединения обмоток: по принципу звезды, треугольника или зигзага. Схема звезда оправдана, если нагрузка симметрична в трехфазных сетях. В противном случае предпочтение отдается треугольнику. При таком способе подключения токи первичной обмотки намагничивают каждый стержневой магнитопровод отдельно.

Тогда однофазное сопротивление приблизится к расчетному, а перекос напряжения будет устранен.

Автотрансформаторы

Группа устройств, в которых первичная и вторичная обмотки образуют электрическую связь за счет их непосредственной связи друг с другом, называется автотрансформаторами. Характерной чертой этой группы является несколько пар контактов, к которым можно подключить нагрузку.

Обмотки автотрансформаторов имеют не только магнитную, но и электрическую связь. Они нашли применение при присоединении к заземленным сетям, работающим на напряжение выше 110 кВ, но при низких коэффициентах трансформации — не более 3 — 4.

Тока

Можно соединить первичную обмотку последовательно в электрическую цепь с другими устройствами и получить гальваническую развязку. Такие устройства называются трансформаторами тока. Первичная цепь таких устройств управляется изменением однофазной нагрузки, а вторичная обмотка используется в цепях измерительного прибора или сигнализации. Другое название приборов – измерительные трансформаторы.

Особенностью работы приборных трансформаторов является особый режим работы выходной обмотки. Работает в режиме критического короткого замыкания. При обрыве вторичной цепи в ней происходит резкое повышение напряжения, что может вызвать пробой или повреждение изоляции.

Силовой трансформатор

Напряжения

Типичным применением является изоляция логических цепей защиты от высокого напряжения для измерительных приборов. Трансформатор напряжения — это понижающее устройство, которое преобразует высокое напряжение в более низкое.

Импульсные

Современная электроника использует высокочастотные сигналы, которые часто приходится отделять от других сигналов.
Задача импульсных трансформаторов заключается в преобразовании импульсных сигналов при сохранении формы импульса.

Для высокочастотных импульсных устройств требуется максимальное сохранение формы импульса на выходе. Важна форма, а не амплитуда и даже не знак.

Сварочные

При работе сварочного аппарата важен большой сварочный ток. При этом напряжение сети снижается до безопасного уровня. За счет мощного электрического тока дуговой разряд сварочного аппарата расплавляет металл.

Сварочный трансформатор имеет возможность ступенчатого регулирования тока во вторичных цепях изменением индуктивного сопротивления, либо секционированием одной из обмоток.

Изображение устройства показано на рисунке 6. Обратите внимание на наличие переключателя.

Рис. 6. Трансформатор для полуавтоматической сварки на бронированном магнитопроводе

В сварочных аппаратах применяют конструкции на основе однофазных трансформаторов, а также трехфазных трансформаторов. Для сварки некоторых металлов, таких как нержавеющая сталь, корректируется сварочный ток.

Разделительные

Устройства, в которых нет электрической связи между обмотками, называются раздельными трансформаторами. Токоразделительные устройства применяются для повышения безопасности электрических сетей. Еще одним применением разделительных трансформаторов является обеспечение гальванической развязки между отдельными узлами электрических цепей.

Согласующие

Эти типы устройств используются для согласования сопротивлений каскадов электронных цепей. Они обеспечивают минимальные искажения формы волны, создают гальваническую развязку между узлами электронных устройств.

Пик-трансформаторы

Устройства, преобразующие синусоидальные токи в импульсные напряжения. Полярность выходных напряжений меняется каждые полпериода.

Воздушные и масляные

Силовые трансформаторы бывают сухими (с воздушным охлаждением) (см рис. 7) и масляными (см рис. 8).

Модели сухих силовых трансформаторов чаще всего используются для преобразования сетевых напряжений, в том числе в трехфазных сетях.

Рисунок 7. Трехфазный трансформатор сухого типа

При подключении нагрузки обмотки нагреваются, что грозит разрушением электроизоляции. Поэтому в сетях с напряжением выше 6 кВ работают аппараты с масляным охлаждением. Специальное трансформаторное масло повышает надежность изоляции, что очень важно при больших выходных мощностях.

Рис. 8. Конструкция промышленного масляного трансформатора

Сдвоенный дроссель

Конструктивно такое устройство представляет собой трансформатор с одинаковыми витками. Катушки одинаковой мощности образуют встречный индуктивный фильтр. КПД устройства выше газового (при тех же габаритах).

Вращающиеся

Они используются для обмена сигналами с вращающимися барабанами. Конструктивно они состоят из двух половинок магнитопровода с катушками. Эти части вращаются относительно друг друга. Обмен сигналами происходит при высоких скоростях вращения.

Обозначение на схемах

Трансформаторы наглядно изображаются на электрических схемах. Символически изображают обмотки, которые разделены магнитопроводом в виде толстой или тонкой линии.

Области применения

Помимо преобразования напряжения в электрических сетях, трансформаторы часто используются в источниках питания электронных устройств. В большинстве своем это автотрансформаторы, выдающие одновременно несколько напряжений для разных узлов.

Сегодня все чаще используются бестрансформаторные источники питания. Но там, где требуется мощный переменный ток, без электромагнитных устройств не обойтись.