Устройство и принцип действия
Трансформатор — это электрическая машина, служащая для переноса энергии переменного тока с помощью индукции от одной электрической цепи к другой с изменением параметров.
Трансформатор — это прибор для преобразования переменного тока и напряжения, не имеющий подвижных частей.
Трансформатор преобразовывает мощность в сетях и установках, предназначенных для приема электричества и работы с ним
Устройство трансформаторов состоит из одной или нескольких обособленных проволочных, иногда ленточных катушек (обмоток), которые охвачены единым магнитным потоком. Катушки, как правило, наматывают на сердечник (магнитопровод). Обычно он изготавливается из ферромагнитного материала.
На рисунке схематично представлен принцип работы трансформатора.
На рисунке видно, что первичная обмотка подсоединена к источнику переменного тока, а другая (вторичная) — к нагрузке. В витках первичной обмотки при этом проистекает переменный ток, его величина I1. А обе катушки охватывает магнитный поток Ф, производящий в них электродвижущую силу.
Выходное напряжение при этом зависит напрямую от того, сколько витков на катушках, а сила тока — от диаметра (сечения) провода. Другими словами, если обе катушки имеют равное количество витков, то напряжение на выходе будет равно напряжению на входе. А если на вторичную катушку намотать в 2 раза больше витков, то и напряжение на выходе станет в 2 раза выше входного.
Итоговый ток зависит также и от диаметра провода обмотки. Например, при большой нагрузке и маленьком диаметре провода может произойти перегрев обмотки, нарушение целостности изоляции и даже полный выход из строя трансформатора
Устройство трансформатора основано на законе Фарадея, согласно которому переменное магнитное поле может вызвать переменное напряжение на концах витка из проводника. В простейшем трансформаторе это явление провоцируется путём обёртывания нескольких витков провода вокруг сердечника из магнитного материала.
При изменениях магнитного поля, вызванных прохождением переменного электрического тока через первичную обмотку, напряжение индуцируется во вторичных обмотках в полном соответствии с приложенным к ним магнитным полем.
Конструкция обмотки
На практике производители для изготовления трансформаторов используют одну из трёх базовых концепций:
1. Стержневая. Обмотки наматываются на крайние стержни.
2. Броневая. Боковые стенки остаются без обмоток.
3. Тороидальная. Обладает формой кольца с равномерной намоткой обмоток по всей окружности.
Как правило, в силовых трансформаторах используются проводники с квадратным сечением, которое позволяет более эффективно использовать имеющееся пространство, за счёт чего увеличивается коэффициент заполнения (К).
Для предотвращения возникновения короткого замыкания каждая обмотка изолируется. В качестве изолирующего материала может быть использована специальная бумага или эмалевый лак
Топливный бак
Бак является одним из важнейших дополнительных элементов трансформатора. Он представляет собой ёмкость, предназначенную для хранения трансформаторного масла, а также обеспечения физической защиты активного компонента. Кроме того, корпус бака предназначен для монтажа вспомогательного оборудования и управляющего устройства.
Одним из внутренних элементов бака является сильноточный резонатор. Он подвержен быстрому и частому перегреву в моменты увеличения номинальной мощности и трансформаторных токов. Для снижения риска перегрева вокруг резонаторов устанавливают вставки из немагнитных материалов.
Назначение и типы трансформаторов
По назначению трансформаторы делятся на силовые, используемые при передаче и распределении электрической энергии, и специальные — сварочные, печные, для выпрямительных установок и т. д.
Поскольку напряжение электрической энергии, выработанной на электростанциях, на пути к потребителю несколько раз трансформируется, суммарная мощность силовых трансформаторов, установленных в энергетических системах, обычно в 3—4 раза превосходит суммарную мощность генераторов электрических станций. Это наглядно иллюстрирует представленная на рисунке 9 схема передачи и распределения электрической энергии, являющаяся одной из основных в сельской электрификации.
По числу фаз трансформаторы делятся на трехфазные и однофазные. Трансформаторы другого числа фаз встречаются редко. При принятой в энергетике трехфазной системе распределения электрической энергии наибольшее распространение получили трехфазные трансформаторы, однофазные применяются ограниченно.
По типу трансформаторы бывают стержневые и броневые (рис. 10). Принято считать, что в трансформаторе стержневого типа обмотки охватывают сердечник, в броневом, наоборот, обмотка охвачена сердечником.
Оба типа трансформатора сопоставляются таким образом. Конструктивно целесообразнее в броневом трансформаторе сечение стержня Sc, на который насажена обмотка, брать большим, чем в стержневом:
В конструктивном отношении и по технологии изготовления броневые трансформаторы значительно уступают стержневым, так как требуют специальной запрессовки боковых частей магнитопровода, установка и крепление обмоток в них сложнее, обмотки менее доступны для охлаждения, осмотра и ремонта. Поэтому броневой тип трансформатора в нашей стране и в европейской практике распространения не получил и применяется лишь в трансформаторах специальных типов (измерительных, испытательных и т. п.). Здесь имеют значение такие свойства броневого трансформатора, как уменьшение тока холостого хода вследствие разветвления потока при выходе из среднего стержня по двум параллельным путям и уменьшение индуктивности из-за меньшего числа витков.
Сами же магнитопроводы бывают ленточными и шихтованными. Шихтованные магнитопроводы набираются из плоских штампованных пластин, а ленточные из ленты, намотанной спиралью или выгнутой по форме сердечника. Эти конструкции сердечников разборные, позволяют разъединять их на части для установки или замены обмоток после перемотки.
Трехфазный стержневой трансформатор (рис. 8,б) характеризуется простотой конструкции, большей доступностью обмоток, что в эксплуатации имеет большое значение. Трехфазный стержневой трансформатор с расположением всех стержней в одной плоскости в принципе является трансформатором с несимметричной магнитной цепью.
Виды трансформаторов
По виду охлаждения:
- Сухие. Охлаждаются воздухом, а именно при его естественной или принудительной циркуляции.
- Масляные. Сердечник и обмотки находятся в корпусе, заполненном трансформаторным маслом, которое также выполняет роль диэлектрика. Масляное охлаждение также может быть естественным или с принудительной циркуляцией.
Если трансформатор работает в низкочастотной цепи, например, в электросети с частотой 50 Гц, то сердечник набирается из тонких пластин электротехнической стали толщиной 0.3-0.5 мм (или другого магнитомягкого материала), изолированных друг от друга диэлектриком. Сами же тонкие пластины используются для снижения потерь в виде тепла на вихревые токи, или, как их еще называют, токи Фуко. В некоторых случаях сердечник может отсутствовать, а сердечники трансформаторов импульсных источников питания, которые работают на высокой частоте в десятки и сотни килогерц, делают цельными (не из пластин) и зачастую из феррита. У высокочастотных трансформаторов сердечник и вовсе отсутствует.
Листы железа для сердечника и ферритовый сердечник трансформатора
Если необходимо получать разные напряжения на вторичной обмотке или обеспечить возможность подключения первичной обмотки к источникам переменного тока с разным напряжением, то делают отводы от обмоток, или несколько обмоток, соединенных одним из концом между собой.
Отношение напряжения на первичной обмотке к напряжению на вторичной обмотке называют коэффициентом трансформации. То есть если на первичную обмотку подают 220В, а со вторичной обмотки снимают 110В, то коэффициент трансформации (k) такого трансформатора равен:
k=220/110=2
Если на вторичной обмотке напряжение больше, чем на первичной — он повышающий,наоборот понижающий, а если напряжения равны – разделительный.
Один и тот же трансформатор может быть, как понижающим, так и повышающим это зависит от того, на какую обмотку подаётся напряжение. То есть, понятия «первичная» и «вторичная» обмотки относительны.
Ток в первичной и вторичной обмотки также соотносится с коэффициентом трансформации, а напряжения в первичной и вторичной обмотках обратно пропорциональны токам вторичной и первичной обмотки. То есть в понижающем трансформаторе на вторичной обмотке напряжение (U2) ниже, чем на первичной (U1) в k раз, а ток вторичной обмотки во столько же раз выше, чем в первичной и наоборот.
Область применения приборов
Сегодня, пожалуй, трудно себе представить область науки и техники, где не применяются трансформаторы. Их широко используются для следующих целей:
1. Для передачи и раздачи электроэнергии.
2. Для создания допустимой схемы включения вентилей. Применяется в преобразовательных устройствах с одновременным согласованием входного и выходного напряжения.
3. В производстве: в сварке, для снабжения электротермических установок и т. д. Мощность таких приборов достигает порой десятков тысяч кВА и напряжения до 10 кВ, а рабочий диапазон — 50 Гц.
4. Преобразователи малой мощности и невысокого напряжения применяют для радио- и телеаппаратуры, устройств связи, бытовых приборов, для согласования напряжений и т. д.
5. При включении электроизмерительных приборов и реле в электроцепи высокого напряжения с целью расширения диапазонов измерений и обеспечения электробезопасности.
