Трансформатор — виды и применение

Трансформатор – это прибор, который пропускает через себя электрический ток, меняя его характеристики. Без этого аппарата не обходится почти никакое электрическое или электронное устройство. Энергетические системы и подстанции любого масштаба обязательно включают в себя различные виды трансформаторов.

3-х фазный силовой трансформатор

История

В первой половине XIX века английский физик Фарадей проводил многочисленные опыты с электричеством. В результате экспериментов им было открыто такое явление, как электромагнитная индукция. 29 августа 1831 года учёный в своём дневнике описал результат своих исследований в этом направлении.

На кольцо из железа ø 150 мм и толщиной 20 мм были намотаны 2 медных провода длиной 150 мм и 180 мм. При подключении гальванической батареи к одной обмотке на зажимах другого проводника гальванометр фиксировал статическое напряжение. Так появился первый трансформаторный прототип.

Французский механик Румкорф в 1848 году сделал первую индукционную катушку. Она давала представление о том, что это такое трансформатор. В 1872 году профессор московского университета Столетов разработал теорию петли гистерезиса, а также обосновал доменную структуру ферритового сердечника.

30 ноября 1876 г. считается датой изобретения трансформатора переменного тока. В этот день был выдан патент на это изобретение знаменитому российскому физику Павлу Николаевичу Яблочкову. Прибор состоял из разомкнутого сердечника с двумя обмотками.

Устройство, изобретённое венгерскими инженерами в 1885 г., уже представляло собой прибор с замкнутым магнитопроводом. С тех пор сердечники стали делать из отдельных стальных листов. Приборы стали помещать в сосуды, заполненные маслом. Далее последовали различные усовершенствования конструкции преобразования тока. К этому приложили руку инженеры Эдисона, великий Никола Тесла, российские, английские и немецкие учёные.

Современные трансформаторы – это устройства, предназначенные для доставки потребителю электроэнергии с заданными характеристиками.

Базовые принципы действия

Определение преобразователя напряжения базируется на двух принципах действия:

1. Электромагнетизм. Изменяясь в определённом временном промежутке, ток создаёт изменяющееся магнитное поле.
2. Электромагнитная индукция. Проходящий магнитный ток через вторичную обмотку возбуждает в ней электродвижущую силу (ЭДС).

Закон Фарадея

Электромагнитная индукция вызывает электрический ток в замкнутом контуре во время изменения магнитного потока, проходящего сквозь площадь этого контура.

Закон Фарадея объясняет прямую пропорциальную зависимость ЭДС от скорости изменения магнитного потока. Эту зависимость отражает формула закона электромагнитной индукции:

Формула закона Фарадея

• ЭДС – индукция в контуре;
• ∆Ф – величина магнитного потока;
• ∆t – временной промежуток.

Уравнение идеального трансформатора

Направлять электрический ток с изменёнными параметрами в электрические цепи или определённую область электронной схемы – для чего служат трансформаторы. Идеальный трансформатор – это прибор, который не несёт потерь на гистерезисе, вихревых токах и рассеивании обмотками энергии.

В идеальном устройстве мощности обеих обмоток равны. Электрический поток, проходя через первичную катушку, преобразуется в магнитный поток, который, в свою очередь, превращается в ЭДС вторичной цепи.

Что делает идеальный трансформатор, можно выразить следующим выражением:

P1 = I1U1 = P2 = I2U2,

где:

• P1 – одномоментная мощность первичной цепи;
• P2 – одномоментная мощность вторичной обмотки.

Преобразуя оба произведения силы и тока в соотношения, получают математическое определение идеального трансформатора:

U2/U1 = I1 /I2 = n,

где n – коэффициент трансформации.

Модель реального трансформатора

От идеального исполнения конструктивного решения прибора реальная модель трансформатора отличается такими признаками, как:

1. Наличие ненулевого тока холостого хода;
2. Возникновение ёмкостей;
3. Нелинейная кривая намагниченности.

Ненулевой ток холостого хода

Обмотки реального трансформатора вместе с пластинами сердечника представляют собой магнитоэлектрическую систему, где по её контуру циркулирует вектор напряжения магнитного поля, равный полному току внутри этого контура.

Все типы действующих трансформаторов при включении без нагрузки испытывают всплески первичного тока. Это явление называют ненулевым током холостого хода. При расчётах защиты преобразовательных устройств проводят сравнение между действительными и идеальными сдвигами токов двух обмоток. Разницу между углами этих сдвигов называют углом погрешности. Этот показатель учитывают при определении класса приборов, особенно в тех моделях, которые предназначены для работы в системах учёта энергопотребления.

Возникновение ёмкостей

Проводники с разделительным диэлектрическим материалом провоцируют возникновение паразитных ёмкостей между обмотками, их слоями и витками. Благодаря им, из первичной катушки проникают во вторичную обмотку помехи высокой частоты. В расчёты характеристик приборов вводят теоретические величины эквивалентных ёмкостей. Это делается с целью резкого снижения риска проявления таких негативных явлений, как возникновение продольных и поперечных ёмкостей.

Нелинейная кривая намагниченности

Ферритовые сердечники трансформаторов содержатся в большинстве разновидностей преобразователей напряжения. Добиваясь этим большой величины ЭДС во вторичных обмотках, получают крайне нелинейную характеристику намагничивания. Соответственно, индуктивность тоже принимает нелинейный характер.

В результате создаётся феррорезонансный режим, при котором возникает риск выхода из строя преобразователя напряжения. Происходит чрезмерный нагрев магнитопровода, что вызывает потребность в охлаждении устройства.

Режимы работы трансформаторов

Трансформаторы предназначены для работы в трёх режимах:

• холостой ход;
• нагрузка;
• короткое замыкание.

Режим холостого хода

Холостым ходом называют такое состояние прибора, когда вторичная обмотка разомкнута, и потребитель не получает выходной энергопоток. В первичной катушке протекает ЭДС, которую называют током холостого хода. В этом режиме определяют КПД прибора, коэффициент трансформации и потери в магнитопроводе.

Режим нагрузки

Это стандартное рабочее состояние оборудования, когда первичная цепь подключена к источнику тока, а вторичная обмотка находится под нагрузкой. Характеристика нагрузки в основном определяет применение нужного вида трансформатора.

Состояние короткого замыкания

Выводы вторичной обмотки замыкают напрямую с целью выявления потерь на нагрев катушек в цепи устройства. Единственной нагрузкой остаётся собственное сопротивление витков вторичной обмотки.

Теория трансформаторов

Теоретические обоснования того, что делают трансформаторы, включают в себя несколько разделов:

1. Уравнения линейного трансформатора;
2. Т-образная схема замещения;
3. Потери;
4. Габаритная мощность;
5. КПД.

Уравнения линейного трансформатора

Линейные уравнения отображают взаимосвязь между величинами характеристик трансформатора. К ним относятся:

1. U1 = L1(di1/dt) +L1,2(di2/dt) + I1 R1;
2. L2(dI2/dt) + L1.2 + I2R2 = — I2RH,

где:

• U1 – мгновенное напряжение в первичной катушке;
• I1 и I2 – сила тока в обмотках;
• RH – сопротивление в нагрузке;
• L1,2 – взаимная индуктивность обмоток;
• L1, R1, и L2, R2 – индуктивность и сопротивление обеих катушек.

Т-образная схема замещения

Для тестирования электрической цепи какого-либо устройства трансформатор замещают Т-образной схемой, состоящей из элементов, указанных на нижнем рисунке.

Т-образная схема замещения

Потери

Специалисты разделяют потери на траты в стали и меди. Потери в стали происходят в сердечнике, утрата части энергии в меди относится к медным виткам обмоток.

В стали

Утрата части энергии происходит по причине потерь в магнитопроводе и обмотках. Величина потерь в стали связана с конструкцией сердечника, качеством электротехнической стали. Траты энергии уходят на нагрев, гистерезис и образование вихревых токов.

Магнитопроводы, сделанные из трансформаторного железа с добавлением кремния, значительно уменьшают потери и повышают удельное сопротивление стали. Конструкцию сердечника улучшают промежуточным лакированием соприкасающихся поверхностей пластин.

В меди

Потери в обмотках вызваны ненулевым вектором активного сопротивления в катушках преобразователя напряжения. Потери в меди сопровождаются нагревом проводов в обмотках. Часто они вызваны несоответствием количества витков напряжению в обмотках.

Габаритная мощность

Габаритную мощность трансформатора рассчитывают следующей формулой:

Pgab = (P1 + P2)/2 = (U1I1 + U2I2)/2.

Этот параметр можно определить ориентировочно по сечению сердечника. Величина габаритной мощности зависит от ряда показателей, таких как качество и толщина листов магнитопровода, размер проёма, степень индукции, общее сечение проводов обмоток и качество диэлектрических слоёв между пластинами.

КПД трансформатора

Коэффициент полезного действия приборов можно рассчитать по нескольким формулам. Три из них представлены ниже:

Формула 1

Формула 2

Формула 3

Конструкция

Конструкция устройства базируется на 4-х основных элементах. Вот из чего состоят трансформаторы:

1. Магнитопровод;
2. Обмотки;
3. Схемы соединения обмоток 3-х фазных трансформаторов;
4. Бак.

Магнитопровод

Магнитная секция прибора делается из нескольких видов материалов: электротехническая сталь, пермаллой и ферромагнетики. Конструктив устройства обычно выглядит в виде рамки, на боковых сторонах (стержнях) которой помещаются обмотки. Части рамки, свободные от катушек, называют ярмом. Встроенные преобразователи зачастую оснащаются магнитопроводами тороидальной формы.

В зависимости от пространственного положения стержней магнитопровода, магнитные системы бывают плоскими, пространственными, симметричными и несимметричными конструкциями. В трансформаторах переменного тока сердечники образуют замкнутый контур. В приборах постоянного тока магнитопроводы делаются с зазором.

Отдельные виды магнитопроводов

Обмотки

Катушки магнитопроводов состоят из множества витков провода. Витки располагаются параллельно относительно друг друга в строго последовательном порядке. Проводники тока, покрытые изоляционным лаком либо бумагой, охватывают спиралью стержни магнитопровода.

Первичная обмотка под напряжением создаёт вокруг себя магнитное поле, которое воздействует на витки второй катушки. В результате в ней индуцируется выходной электрический ток.

Схемы соединения обмоток 3-х фазных трансформаторов

В 3-х фазных трансформаторах обмотки соединяют тремя способами.

Звезда

Три обмотки сходятся одними своими концами в нейтральной точке. Бывают звёздные соединения с выводом из общей точки и без него.

Треугольник

Соединённые последовательно три обмотки образуют треугольник. У обмоток, соединённых треугольником, усложняется конструкция переключателя контактов из-за высокого напряжения.

Зигзаг

При такой схеме все три обмотки располагаются отдельно на 3 стержнях магнитопровода. Соединения катушек осуществляются встречно последовательно.

Бак

Баки, заполненные трансформаторным маслом, помимо опорной функции, обеспечивают защиту от перегрева силового оборудования. Перед заправкой герметичного бака маслом из него откачивают воздух. Ёмкости могут содержать различные добавки, активно поглощающие рассеивающий магнитный поток, не давая ему распространиться наружу.

Виды трансформаторов

В этом пункте раскрыта тема, какие разные бывают трансформаторы.

Силовой

Тип силового трансформатора переменного тока используют в сетях электроснабжения и в специальных установках. Название «Силовой» обозначает то, что оборудование обладает большой мощностью. Потребность в таком оборудовании объясняется согласованием различных величин напряжений линий электропередач.

Автотрансформатор

Его первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, за счёт чего обеспечивается электромагнитная и электрическая связь. Достоинством автотрансформатора является высокий показатель КПД. Вторичная обмотка имеет несколько выводов, что позволяет варьировать несколькими величинами выходного напряжения. Прибор может фиксировать напряжение на уровне 220 вольт. Поэтому приборы популярны в быту, предохраняя лампы осветительных приборов, домашнее электрическое и электронное оборудование от скачков напряжения сетевого тока.

Трансформатор тока

Такой вид, как трансформатор тока, применяется в измерительных цепях, защитном оборудовании. Устройство используется как средство управления и различной сигнализации. Первичная катушка подсоединяется к источнику питания тогда, когда вторичная обмотка включается в схему измерительных, исполнительных, индикаторных и релейных приборов.

Трансформатор напряжения

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

Импульсный

Импульсные преобразователи используются для передачи пульсирующего тока. Это необходимая часть видеотехники для обеспечения отсутствия искажений в трансформируемых видеосигналах.

Сварочный

Трансформаторы обеспечивают ток нужной характеристики для различных видов сварки. Регулировка сварочного тока происходит за счёт изменения индуктивного сопротивления и холостого хода вторичной обмотки. Сварочный трансформатор работает от сети напряжением 220 или 380 вольт.

Разделительный

Трансформаторы оснащены раздельными обмотками. Их применяют в цепях защитных систем. Они чутко реагируют на несанкционированное заземление и отключают электричество в аварийных случаях.

Согласующий

Трансформатор используется для согласования сопротивлений каскадов электронного оборудования с минимальным искажением сигналов. Также его применяют для гальванической развязки между различными частями электронных схем.

Пик-трансформатор

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

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.

Обозначение на схемах

На схематичном изображении трансформаторов обмотки представляют волнистыми линиями по обе стороны вертикального стержня. На нижнем рисунке видны одна первичная и две вторичные обмотки, разделённые вертикальной линией магнитопровода.

Обозначение трансформатора на схемах

Сферы применения

В источниках электропитания

Основное предназначение трансформаторов – это изменение характеристик тока, поступающего от источника тока.

Другие

Кроме понижения и повышения напряжения, трансформаторы используются как разделительные, импульсные устройства, релейная защита автоматики. Также отдельные виды приборов выполняют измерительную и силовую функцию.

Эксплуатация

Срок службы

При правильном и своевременном обслуживании трансформаторное оборудование может прослужить до тех пор, пока морально не устареет. Срок службы зависит от условий эксплуатации, частоты возникновения аварийных ситуаций на участке электросети, где установлено оборудование.

Работа в параллельном режиме

Параллельный режим работы позволяет временно подменять мощное силовое оборудование трансформаторами средней или малой мощности. Это происходит тогда, когда на линии электропередачи падает нагрузка, что позволяет сокращать траты энергии при работе на холостом ходу.

Частота

При одинаковом напряжении частота тока может быть различной. Первичная обмотка, рассчитанная на частоту тока 50 Гц, без помех принимает входной ток частотой 60 Гц. В обратном случае трансформатор не будет полноценно исполнять свои функции. При меньшей номинальной частоте возрастает показатель индукции в сердечнике, что, как правило, вызывает резкое увеличение силы тока холостого хода. Если ток в сети имеет частоту, превышающую номинальную величину, то возникают паразитные токи в магнитопроводе. Сердечник и обмотки сильно перегреваются.

Регулирование напряжения трансформатора

Изменение напряжения в сети отображается на аналоговом экране или цифровом дисплее. Маломощные трансформаторы снабжены светодиодной индикацией уровня напряжения. С помощью органов управления устанавливается нужный уровень выходного напряжения в ручном или автоматическом режиме.

Изоляция трансформатора

Из-за частых перегревов обмоток и магнитопроводов изоляция может потерять свои диэлектрические свойства. Для осуществления контроля состояния изоляции проводятся регулярные испытания электрооборудования.

Перенапряжения трансформатора

В процессе интенсивной эксплуатации трансформаторы часто подвергаются перенапряжению. Оно бывает кратковременным и переходным.

Кратковременное превышение рабочих параметров оборудования происходит в течение от 1 секунды до нескольких часов. Переходное перенапряжение может набирать время, измеряемое в мили и наносекундах.

Перед тем, как покинуть завод-изготовитель, трансформаторы проходят тестовые испытания, в ходе которых создаются различные ситуации на грани потери работоспособности. В результате некондиция отсеивается от партии готовой продукции.

При установке того или иного трансформаторного оборудования нужно тщательно взвесить его возможности и состояние источника питания. Также принимают во внимание требуемые характеристики выходного напряжения для определённых потребителей.

Видео

Автор:

Винoгрaдов Aндрeй Aлексaндрoвич