Для чего нужны трансформаторы. Что такое трансформатор: устройство, принцип работы, схема и назначение Для чего используют электрическое устройство называемое трансформатором

Может быть, кто-то думает, что трансформатор – это что-то среднее между трансформером и терминатором. Данная статья призвана разрушить подобные представления.

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного электрического тока одного напряжения и определенной частоты в электрический ток другого напряжения и той же частоты.

Работа любого трансформатора основана на явлении , открытой Фарадеем.

Назначение трансформаторов

Разные виды трансформаторов используются практически во всех схемах питания электрических приборов и при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Электростанции вырабатывают ток относительно небольшого напряжения – 220 , 380 , 660 В. Трансформаторы, повышая напряжение до значений порядка тысяч киловольт , позволяют существенно снизить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния, а заодно и уменьшить площадь сечения проводов ЛЭП.

Непосредственно перед тем как попасть к потребителю (например, в обычную домашнюю розетку), ток проходит через понижающий трансформатор. Именно так мы получаем привычные нам 220 Вольт.

Самый распространенный вид трансформаторов – силовые трансформаторы . Они предназначены для преобразования напряжения в электрических цепях. Помимо силовых трансформаторов в различных электронных приборах применяются:

импульсные трансформаторы;
силовые трансформаторы;
трансформаторы тока.

Принцип работы трансформатора

Трансформаторы бывают однофазные и многофазные, с одной, двумя или большим количеством обмоток. Рассмотрим схему и принцип работы трансформатора на примере простейшего однофазного трансформатора.

Из чего состоит трансформатор? Во простейшем случае из одного металлического сердечника и двух обмоток . Обмотки электрически не связаны одна с другой и представляют собой изолированные провода.

Одна обмотка (ее называют первичной ) подключается к источнику переменного тока. Вторая обмотка, называемая вторичной , подключается к конечному потребителю тока.

Когда трансформатор подключен к источнику переменного тока, в витках его первичной обмотки течет переменный ток величиной I1 . При этом образуется магнитный поток Ф , который пронизывает обе обмотки и индуцирует в них ЭДС.

Бывает, что вторичная обмотка не находится под нагрузкой. Такой режимы работы трансформатора называется режимом холостого хода. Соответственно, если вторичная обмотка подключена к какому-либо потребителю, по ней течет ток I2 , возникающий под действием ЭДС.

Величина ЭДС, возникающей в обмотках, напрямую зависит от числа витков каждой обмотки. Отношение ЭДС, индуцированных в первичной и вторичной обмотках, называется коэффициентом трансформации и равно отношению количества витков соответствующих обмоток.

Путем подбора числа витков на обмотках можно увеличивать или уменьшать напряжение на потребителе тока с вторичной обмотки.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор – трансформатор, в котором отсутствуют потери энергии. В таком трансформаторе энергия тока в первичной обмотке полностью преобразуется сначала в энергию магнитного поля, а далее – в энергию вторичной обмотки.

Конечно, такого трансформатора не существует в природе. Тем не менее, в случае, когда теплопотерями можно пренебречь, в расчетах удобно пользоваться формулой для идеального трансформатора, согласно которой мощности тока в первичной и вторичной обмотках равны.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на

Потери энергии в трансформаторе

Коэффициент полезного действия трансформаторов достаточно высок. Тем не менее, в обмотке и сердечнике происходят потери энергии, приводящие к тому, что температура при работе трансформатора повышается. Для трансформаторов небольшой мощности это не представляет проблемы, и все тепло уходит в окружающую среду – используется естественное воздушное охлаждение. Такие трансформаторы называют сухими.

В более мощных трансформаторах воздушного охлаждения оказывается недостаточно, и применяется охлаждение маслом. В этом случае трансформатор помещается в бак с минеральным маслом, через которое тепло передается стенкам бака и рассеивается в окружающую среду. В трансформаторах высоких мощностей дополнительно применяются выхлопные трубы – если масло закипает, образовавшимся газам нужен выход.

Конечно, трансформаторы не так просты, как может показаться на первый взгляд - ведь мы рассмотрели принцип действия трансформатора кратко. Контрольная по электротехнике с задачами на расчет трансформатора внезапно может стать настоящей проблемой. всегда готов оказать помощь в решении любых проблем с учебой! Обращайтесь в Zaochnik и учитесь легко!

Вопрос, что такое трансформатор, для опытных и даже начинающих электриков совершенно простой. Но обычные обыватели, которые с электрикой не дружат, даже и не представляют, как выглядит трансформатор, для чего он необходим, а тем более, не осведомлены о его конструкции и принципе работы. Поэтому в этой статье будем разбираться с этим прибором, рассмотрим вопрос, а можно ли сделать трансформатор своими руками, и так далее. Итак, трансформатор – это электромагнитное устройство, которое может изменять напряжение переменного тока (увеличивать или уменьшать).

Итак, конструкция трансформатора достаточно проста и состоит из сердечника и двух катушек из медной проволоки. В основе принципа работы лежит электромагнитная индукция. Чтобы вы поняли, как работает этот прибор, рассмотрим, как магнитное поле, образуемое в катушках (обмотках) устройства, изменяет показатель напряжения.

Подаваемый на первую обмотку электрический ток (он переменный, поэтому изменяется по направлению и величине) образует в катушке магнитное поле (оно также переменное). В свою очередь магнитное поле образует во второй катушке электрический ток. Такой своеобразный обмен параметрами. Но просто так изменение напряжения не произойдет, оно зависит от того, сколько витков медной проволоки в каждой обмотке. Конечно, величина изменения магнитного поля (скорость) также влияет на величину напряжения.

Что касается количества витков, то получается так:

если число витков в первичной катушке больше, чем во вторичной, то это понижающий трансформатор;
и, наоборот, если количество витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной, то это повышающий трансформаторный прибор.

Поэтому существует формула, которая определяет так называемый коэффициент трансформации. Вот она:

k=w1/w2, где w – это число витков в катушке с соответствующим номером.

Внимание! Любой трансформатор может быть и понижающим, и повышающим, все зависит от того, к какой обмотке (катушке) подсоединяется питающий кабель сети переменного тока.

И еще один момент, касающийся устройства. Это сердечник трансформатора. Все дело в том, что существуют разные виды этого устройства, в которых сердечник присутствует или отсутствует.

Так вот, в тех видах, где сердечник трансформатора отсутствует или изготовлен из феррита или альсифера называются высокочастотными (выше 100 кГц).
Приборы с сердечником из стали, феррита или пермаллои – низкочастотные (ниже 100 кГц).

Первые используются в радио- и электросвязи. Вторые в для усиления звуковых частот, к примеру, в телефонии. Со стальным сердечником используется в электротехнике (в бытовых приборах в том числе).

Условные обозначения и параметры

Приобретая трансформатор, необходимо понимать, что написано на его корпусе или в сопроводительных документах. Ведь существует определенная маркировка трансформаторов, которые определяют его назначение. Основное, на что необходимо обратить внимание, до какого показателя этот прибор может снизить напряжение. К примеру, 220/24 говорит о том, что на выходе получится ток напряжением 24 вольта.

А вот буквенные обозначения чаще всего говорят о типе устройства. Кстати, имеется в виду буквы, стоящие после цифр. К примеру, О или Т – одно- или трехфазный соответственно. То же самое можно сказать о количестве обмоток, о типе охлаждения, о способе и месте установки (внутренние, наружные и прочее).

Что касается параметров трансформатора, то существует определенный стандартный ряд, который и определяет характеристики прибора. Их несколько:

Напряжение в первичной катушке.
Напряжение во вторичной катушке.
Первичная сила тока.
Вторичная сила тока.
Общая мощность аппарата.
Коэффициент трансформации.
Коэффициент мощности и нагрузки.

Есть так называемая внешняя характеристика трансформатора. Это зависимость вторичного напряжения от вторичной силы тока, при условии, что сила тока первичной обмотки будет номинальной, а cos φ= const. По-простому – чем выше сила тока, тем ниже напряжение. Правда, второй параметр изменяется всего лишь на несколько процентов. При этом внешняя характеристика трансформатора определяется относительными характеристиками, а именно коэффициентом загрузки, который определяется по формуле:

K=I2/I2н, где второй показатель силы – это сила тока при номинальном напряжении.

Конечно, характеристики трансформатора – это достаточно большой ряд всевозможных показателей, от которых зависит сама работа прибора. Здесь и мощность потерь, и внутреннее сопротивление в обмотке.

Как сделать самостоятельно

Итак, как сделать трансформатор самому? Зная, принцип работы установки и его конструктивные особенности, можно собрать своими руками простейший аппарат. Для этого вам понадобится любое металлическое кольцо, на котором надо накрутить два участка обмотки. Самое важно – обмотки не должны касаться друг друга, а место их намотки не зависит конкретно от их расположения. То есть, они могут быть размещена напротив друг друга или рядом. Важно – даже небольшое расстояние между ними.

Внимание! Трансформатор работает только от сети переменного тока. Так что не стоит подключать к вашему устройству батарейку или аккумулятор, где присутствует ток постоянный. Работать от этих источников электроэнергии он не будет.

Как уже было сказано выше, количество витков в обмотках определяет, какой прибор вы собираете – понижающий или повышающий. К примеру, если вы на первичной обмотке соберете 1200 витков, а на вторичной всего лишь 10, то на выходе вы получите напряжение 2 вольта. Конечно, при подключении первичной катушки к напряжению 220-240 вольт. Если фазировка трансформатора будет заменена, то есть, провести подсоединение 220 вольт к вторичной обмотке, то на выходе первичной получится ток напряжением 2000 вольт. То есть, к назначению трансформатора надо подходить осторожно, учитывая тот самый коэффициент трансформации.

Как правильно подключить

Что касается монтажа трансформатора, особенно его понижающего типа в быту дома, то необходимо знать некоторые нюансы проводимого процесса.

Во-первых, это касается самого устройства. При монтаже трансформатора иногда появляется необходимость подключения не одного потребителя, а сразу нескольких. Поэтому обращайте внимание на количество выходных клемм. Конечно, необходимо знать, что суммарная потребляемая мощность потребителей не должна быть больше мощности самого трансформаторного устройства. Во всяком случае, специалисты рекомендуют, чтобы второй показатель был всегда больше первого на 15-20%.
Во-вторых, подключение трансформатора производится электрической проводкой. Так вот ее длина и до прибора, и после не должна быть очень большой. К примеру, понижающий аппарат для светодиодного освещения предполагает наличие проводки от него до светильников не больше двух метров. Это позволит избежать больших потерь мощности.

Внимание! Нельзя процесс монтажа трансформатора проводить и в том случае, если потребляемая мощность потребителей будет меньше мощности самого агрегата.

В-третьих, место установки электрического понижающего прибора должно быть выбрано правильно. Самое важное, чтобы до него всегда можно было бы добраться просто, особенно когда есть необходимость провести демонтаж со следующей заменой и монтажом трансформатора. Поэтому перед тем как подключить трансформатор, необходимо определиться с его местом установки.

Схема замещения

Буквально несколько слов о том, что такое схема замещения трансформатора. Начнем с того, что две катушки соединены между собой магнитным полем, поэтому проанализировать работы трансформатора, а тем более его характеристики, очень сложно. Поэтому для этих целей сам прибор заменяют моделью, которая и называется схема замещения трансформатора.

По сути, все переводится на математический уровень, а точнее, в уравнения (токов и электрического состояния). Здесь важно, чтобы все уравнения, касающиеся прибора и его модели, совпадали. Кстати, для многих схема замещения трансформатора достаточно сложна, поэтому существует упрощенный вариант, в котором нет тока холостого хода, ведь на него приходится незначительная часть.

Фазировка

Фазировка трансформатора – это испытание его выходов, когда в одну цепь подключены несколько приборов параллельно. Ведь обязательное условие эффективной работы цепи с отсутствием больших потерь мощности – это правильное соединение фаз между собой, чтобы образовался замкнутый контур.

Если фазы не совпадут, то падает мощности и растет нагрузка. Если не совпадает чередование фаз, то произойдет короткое замыкание.

Заключение по теме

Итак, был сделан небольшой обзор всего, что касается трансформаторных установок, поэтому будем считать, что вопрос, зачем нужны трансформаторы, исчерпан, хотя и не полностью. Об этом приборе можно говорить долго. К примеру, самые простые варианты: как разобрать трансформатор, как прозвонить его, как подключить или демонтировать самому дома.

Что такое трансформатор . Начиная с 1830-х годов, трансформаторы стали важным компонентом в электрических и электронных схемах. И, несмотря на то, что новые передовые технологии в области электроники позволили снизить потребность в трансформаторах, они по-прежнему востребованы в различных устройствах.

Принцип работы трансформатора

Работа трансформатора основана на принципах электромагнетизма, и это позволяет уменьшать или увеличивать напряжения переменного тока. Опыты Майкла Фарадея в 19 веке показали, что изменения тока в проводнике (например, первичная обмотка трансформатора) влияет на изменение магнитного поля вокруг этого проводника. Если другой проводник (вторичная обмотка) находится непосредственно в области меняющегося магнитного поля, то в нем будет происходить наводка напряжения.

Коэффициент трансформации

Фарадей также подсчитали, что напряжение, индуцированное во вторичной обмотке будет иметь величину, которая зависит от коэффициента трансформации самого трансформатора. То есть, если вторичная обмотка имеет половину витков от числа витков первичной обмотки, то напряжение на вторичной обмотки будет в два раза ниже, чем напряжение на первичной обмотке. И на оборот, если вторичная обмотка имеет в два раза больше витков, чем у первичной обмотки, вторичное напряжение будет в два раза больше чем первичное напряжение.

Соотношение мощности обмоток

Поскольку трансформатор является пассивным компонентом схемы (не имеет никакого внешнего источника питания), он не может отдавать больше энергии, чем получает. Поэтому, если вторичное напряжение больше первичного напряжения на определенную величину, то ток вторичной будет меньше, чем ток первичной на ту же величину. То есть, если напряжение вторичной обмотки в два раза превышает напряжение в первичной, то ток во вторичной будет в два раза ниже, чем в первичной.

Работа трансформатора может быть описана двумя формулами, связывающие коэффициент трансформации с соотношением витков обмоток трансформатора.

U1 = первичное напряжение.
I1 = первичный ток.
U2 = вторичное напряжение.
I2 = вторичный ток.
N1 = количество витков в первичной обмотке.
N2 = число витков вторичной обмотки.

Потеря мощности в трансформаторе

Формулы, приведенные выше, относятся к идеальному трансформатору. У идеального трансформатора нет каких-либо потерь мощности, то есть мощность первичной обмотки (U1*I1) равна мощности вторичной обмотки (U2*I2).

В то время, как реальные трансформаторы могут быть чрезвычайно эффективным, некоторые потери все же будут происходить, поскольку не весь магнитный поток исходящий от первичной обмотки достигает вторичной обмотки. Потери мощности, которые происходят в трансформаторе бывают трех типов:

Потери мощности в обмотках

Данные потери могут произойти в обмотках, изготовленных из других металлов, чем медь. Потери проявляются в виде тепла, которое возникает в проводах обмоток. Потери мощности в обмотках трансформатора могут быть рассчитаны на основании тока в обмотке и его сопротивления по следующей формуле: P = I2*R2. Чтобы свести к минимуму потери, сопротивления обмоток должно быть низким, используя для этого обмоточные провода подходящего сечения.

Потери на гистерезис

Каждый раз, когда переменный ток вызывает намагничивание и размагничивание сердечника трансформатора (один раз в каждом цикле), вектор напряженности магнитного поля меняет свое направление и на это затрачивается определенное количество энергии.

При этом количество используемой энергии зависит от магнитного сопротивления материала сердечника. В больших сердечниках силовых трансформаторах, где потери на гистерезис представляют собой большую проблему, это решается путем применения специальной кристаллизованной стали, которая создает минимальное магнитное сопротивление.

Потери от вихревых токов

Поскольку железо или стальной сердечник является электрическим проводником в магнитной цепи, изменение тока в первичной обмотке будет иметь тенденцию генерировать ЭДС в сердечнике, а также и во вторичной обмотке. Ток будет оказывать сопротивление изменению магнитного поля, возникающего в сердечнике. По этой причине эти вихревые токи должны быть снижены.

Поэтому железный сердечник изготавливают не из цельного куска железа, а собирают из тонких листов или пластин, причем каждая пластина имеет изолирующий слой в виде лака или оксидной пленки. Многослойные сердечники значительно уменьшают образование вихревых токов, не ухудшая при этом магнитных свойств сердечника.

Ферритовые сердечники трансформатора

В высокочастотных трансформаторах потери на вихревых токах снижают путем использования сердечников, выполненный из керамического материала, содержащего большое количество мелких частиц железа, цинка или порошка марганца. Керамика изолирует металлические частицы друг от друга, что дает такой же эффект, как и от тонких пластин и более эффективно при высоких частотах.

Из-за применяемых способов снижения потерь, которые описаны выше, реальные трансформаторы приближаются к трансформаторам с идеальной производительностью. В крупных силовых трансформаторах, КПД составляет около 98%. Поэтому для большинства практических расчетов можно исходить из того, что трансформатор является «идеальным».

Соотношение вольт на виток обмотки

Трансформатор, имеющий в первичной обмотке 1000 витков и вторичной обмотке 100 витков, имеет коэффициент трансформации 1000:100 или 10:1. Поэтому 100 вольт, приложенное к первичной обмотке будет производить вторичное напряжение равное 10 вольтам.

Другой способ расчета напряжения трансформатора является соотношение вольт / на виток. Если подается 100 вольт к первичной обмотке содержащей 1000 витков, то на 1 виток приходится 0,1 вольт (100/1000). Поэтому каждые десять витков на вторичной обмотке будут создавать 1 воль напряжения.

Вопрос 1. Из чего состоит трансформатор?
Ответ. Простейший трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода и двух обмоток в виде цилиндрических катушек.
Одна из обмоток подключается к источнику переменного синусоидального тока с напряжением u 1 и называется первичной обмоткой. К другой обмотке подключается нагрузка трансформатора. Эта обмотка называется вторичной
обмоткой.

Вопрос 2. Как осуществляется передача энергии из одной обмотки в другую?
Ответ. Передача энергии из одной обмотки в другую осуществляется путём электромагнитной индукции. Переменный синусоидальный ток i 1 , протекающий по первичной обмотке трансформатора, возбуждает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф с , который пронизывает витки обеих обмоток и наводит в них ЭДС
и
с амплитудами пропорциональными числам витков w 1 и w 2 . При подключении ко вторичной обмотке нагрузки в ней под действием ЭДС e 2 возникает переменный синусоидальный ток i 2 и устанавливается некоторое напряжение u 2 .
Электрическая связь между первичной и вторичной обмотками трансформатора отсутствует и энергия во вторичную обмотку передаётся посредством магнитного поля, возбуждаемого в сердечнике.

Вопрос 3. Чем является вторичная обмотка трансформатора по отношению к нагрузке?
Ответ. По отношению к нагрузке вторичная обмотка трансформатора является источником электрической энергии с ЭДС e 2 . Пренебрегая потерями в обмотках трансформатора можно считать, что напряжение питающей сети U 1 ≈ E 1 , а напряжение в нагрузке U 2 ≈ E 2 .

Вопрос 4. Что такое коэффициент трансформации?
Ответ. Так как ЭДС обмоток пропорциональны числам витков, то соотношение напряжений питания трансформатора и нагрузки также определяется соотношением чисел витков обмоток, т.е.
U 1 /U 2 ≈ E 1 /E 2 ≈ w 1 /w 2 = k .
Величина k называется коэффициентом трансформации.

Вопрос 5. Какой трансформатор называется понижающим?
Ответ. Если число витков вторичной обмотки меньше числа витков первичной w 2 < w 1 , то k > 1 и напряжение в нагрузке будет меньше напряжения на входе трансформатора. Такой трансформатор называется понижающим.

Вопрос 6. Какой трансформатор называется повышающим?
Ответ. Если число витков вторичной обмотки больше числа витков первичной w 2 > w 1 , то k < 1 и напряжение в нагрузке будет больше напряжения на входе трансформатора. Такой трансформатор называется повышающим.

Вопрос 7. Какая обмотка трансформатора называется обмоткой высшего напряжения (ВН)?
Ответ. Обмотка, подключаемая к сети с более высоким напряжением, называется обмоткой высшего напряжения (ВН). Вторая обмотка называется обмоткой низшего напряжения (НН).

Вопрос 8. Какие трансформаторы называются «сухими»?
Ответ. Трансформаторы, в которых отвод тепла производится потоком воздуха, называются «сухими» трансформаторами.

Вопрос 9. Какие трансформаторы называются «масляными»?
Ответ. В тех случаях, когда воздушным потоком невозможно отвести тепловую энергию так, чтобы обеспечить ограничение
температуры изоляции обмоток на допустимом уровне, для охлаждения используют жидкую среду, погружая трансформатор в бак со специальным трансформаторным маслом, которое одновременно выполняет роль хладоагента и электрической изоляции. Такие трансформаторы называются «масляными».

Вопрос 10. Как трансформаторы обозначают на электрических схемах?
Ответ.

На рисунке показаны условные обозначения однофазных двухобмоточных (1, 2, 3) и многообмоточных (7, 8) трансформаторов, а также трёхфазных трансформаторов (12, 13, 14, 15, 16). Здесь же показаны обозначения однофазных (4, 5) и трёхфазных (9, 10) автотрансформаторов и измерительных трансформаторов напряжения (6) и тока (11).

Вопрос 11. Чем определяются условия работы и свойства трансформатора?
Ответ. Условия работы и свойства трансформатора определяются системой параметров, называемых номинальными, т.е. значениями величин, соответствующих расчётному режиму работы трансформатора. Они указываются в справочных данных и на табличке, прикрепляемой к изделию.

Вопрос 12. Как влияет рабочая частота трансформатора на его массу и габариты?
Ответ. Повышение рабочей частоты трансформатора позволяет при прочих равных условиях существенно уменьшить массу и габариты изделия. Действительно, напряжение первичной обмотки примерно равно ЭДС, наводимой в ней магнитным потоком в сердечнике Φ c , а полная мощность, например, однофазного трансформатора равна

где и – заданные номинальные значения индукции в сердечнике и плотности тока в обмотке, а S c ∼ l 2 и S i – поперечное сечение сердечника и суммарное сечение w 1 витков обмотки. Следовательно, увеличение частоты питания f позволяет пропорционально уменьшить сечение сердечника при той же мощности трансформатора, т.е. уменьшить в квадрате его линейные размеры l .

Вопрос 13. Для чего служит магнитопровод трансформатора?
Ответ. Магнитопровод трансформатора служит для увеличения взаимной индукции обмоток и в общем случае не является необходимым элементом конструкции. При работе на высоких частотах, когда потери в ферромагнетике становятся недопустимо большими, а также при необходимости получения линейных характеристик, применяются трансформаторы без сердечника, т.н. воздушные трансформаторы. Однако в подавляющем большинстве случаев магнитопровод является одним из трёх основных элементов трансформатора. По конструкции магнитопроводы трансформаторов подразделяются на стрежневые и броневые.

Вопрос 14. Каким условиям должна удовлетворять конструкция обмоток трансформатора?
Ответ. Конструкция обмоток трансформаторов должна удовлетворять условиям высокой электрической и механической прочности, а также термостойкости.
Кроме того, технология их изготовления должна быть по возможности простой, а потери в обмотках минимальными.

Вопрос 15. Из чего изготавливаются обмотки трансформатора?
Ответ. Обмотки изготавливаются из медного или алюминиевого провода. Плотность тока в медных обмотках масляных трансформаторов находится в пределах 2…4,5 А/мм 2 , а в сухих трансформаторах 1,2…3,0 А/мм 2 . Верхние пределы относятся к более мощным трансформаторам. В алюминиевых обмотках плотность тока на 40…45% меньше. Провода обмоток могут быть круглого сечения площадью 0,02…10 мм 2 или прямоугольного сечения площадью 6…60 мм 2 . Во многих случаях катушки обмоток наматываются из нескольких параллельных проводников. Обмоточные провода покрыты эмалевой и хлопчатобумажной или шёлковой изоляцией. В сухих трансформаторах применяются провода с термостойкой изоляцией из стекловолокна.

Вопрос 16. Как подразделяются обмотки трансформатора по способу расположения на стержнях?
Ответ. По способу расположения на стержнях обмотки подразделяются на концентрические и чередующиеся. Концентрические обмотки выполняются в виде цилиндров, геометрические оси которых совпадают с осью стержней. Ближе к стержню обычно располагается обмотка низшего напряжения, т.к. это позволяет уменьшить изоляционный промежуток между обмоткой и стержнем. В чередующихся обмотках катушки ВН и НН поочерёдно располагают вдоль стрежня по высоте. Такая конструкция позволяет увеличить электромагнитную связь между обмотками, но значительно усложняет изоляцию и технологию изготовления обмоток, поэтому в силовых трансформаторах чередующиеся обмотки не используются.

Вопрос 17. Как выполняется изоляция обмоток трансформатора?
Ответ. Одним важнейших элементов конструкции обмоток трансформатора является изоляция.
Различают главную и продольную изоляцию.
Главной называется изоляция обмотки от стержня, бака и других обмоток. Её выполняют в виде изоляционных промежутков, электроизоляционных каркасов и шайб. При малых мощностях и низких напряжениях функцию главной изоляции выполняет каркас из пластика или электрокартона, на который наматываются обмотки, а также несколько слоёв лакоткани или картона, изолирующих одну обмотку от другой.
Продольной называется изоляция между различными точками одной обмотки, т.е. между витками, слоями и катушками. Межвитковая изоляция обеспечивается собственной изоляцией обмоточного провода. Для междуслойной изоляции используются несколько слоёв кабельной бумаги, а междукатушечная изоляция осуществляется либо изоляционными промежутками, либо каркасом или изоляционными шайбами.
Конструкция изоляции усложняется по мере роста напряжения обмотки ВН и у трансформаторов, работающих при напряжениях 200…500 кВ, стоимость изоляции достигает 25% стоимости трансформатора.

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, содержащее от двух до нескольких обмоток, расположенных на общем магнитопроводе, и индуктивно связанных, таким образом, между собой. Служит трансформатор для преобразования электрической энергии переменного тока посредством электромагнитной индукции без изменения частоты тока. Используют трансформаторы как для преобразования переменного напряжения, так и для в различных сферах электротехники и электроники.

Справедливости ради отметим, что в некоторых случаях трансформатор может содержать и всего одну обмотку (автотрансформатор), а сердечник может и вовсе отсутствовать (ВЧ - трансформатор), однако в большинстве своем трансформаторы имеют сердечник (магнитопровод) из , и две или более изолированные ленточные или проволочные обмотки, охватываемые общим магнитным потоком, но обо всем по порядку. Рассмотрим, какие же бывают виды трансформаторов, как они устроены и для чего применяются.

Данный вид низкочастотных (50-60 Гц) трансформаторов служит в электрических сетях, а также в установках приема и преобразования электрической энергии. Почему называется силовой? Потому что именно этот тип трансформаторов применяется для подачи и приема электроэнергии на ЛЭП и с ЛЭП, где напряжение может достигать 1150 кВ.

В городских электросетях напряжение достигает 10 кВ. Посредством именно напряжение также и понижается до 0,4 кВ, 380/220 вольт, необходимых потребителям.

Конструктивно типичный силовой трансформатор может содержать две, три или более обмоток, расположенных на броневом сердечнике из электротехнической стали, причем некоторые из обмоток низшего напряжения могут питаться параллельно (трансформатор с расщепленными обмотками).

Это удобно для повышения напряжения, получаемого одновременно с нескольких генераторов. Как правило, силовой трансформатор помещен в бак с трансформаторным маслом, а в случае особо мощных экземпляров добавляется система активного охлаждения.

Трансформаторы силовые трехфазные мощностью до 4000 кВА устанавливаются на подстанциях и электростанциях. Более распространены трехфазные, поскольку потери получаются до 15% меньше, чем с тремя однофазными.

Трансформатор сетевой

Сетевые трансформаторы еще в 80-е и 90-е годы можно было встретить практически в любом электроприборе. С помощью именно сетевого трансформатора (обычно однофазного) напряжение бытовой сети 220 вольт с частотой 50 Гц понижается до уровня, требуемого электроприбору, например 5, 12, 24 или 48 вольт.

Часто сетевые трансформаторы выполняются с несколькими вторичными обмотками, чтобы несколько источников напряжения можно было бы использовать для питания различных частей схемы. В частности, трансформаторы ТН (трансформатор накальный) всегда можно было (да и сейчас можно) встретить в схемах, где присутствовали радиолампы.

Современные сетевые трансформаторы конструктивно выполняются на Ш-образных, стержневых или тороидальных сердечниках из набора пластин электротехнической стали, на которые и навиваются обмотки. Тороидальная форма магнитопровода позволяет получить более компактный трансформатор.

Если сравнить трансформаторы равной габаритной мощности на тороидальном и на Ш-образном сердечниках, то тороидальный будет занимать меньше места, к тому же площадь поверхности тороидального магнитопровода полностью охватывается обмотками, нет пустого ярма, как в случае с броневым Ш-образным или стержневым сердечниками. К сетевым можно отнести в частности и сварочные трансформаторы мощностью до 6 кВт. Сетевые трансформаторы, конечно, относятся к низкочастотным трансформаторам.

Одной из разновидностей низкочастотного трансформатора является автотрансформатор, у которого вторичная обмотка является частью первичной или первичная является частью вторичной. То есть в автотрансформаторе обмотки связаны не только магнитно, но и электрически. Несколько выводов делаются от единственной обмотки, и позволяют всего с одной обмотки получить различное напряжение.

Главное преимущество автотрансформатора - меньшая стоимость, поскольку расходуется меньше провода для обмоток, меньше стали для сердечника, в итоге и вес получается меньше, чем у обычного трансформатора. Недостаток - отсутствие гальванической развязки обмоток.

Автотрансформаторы находят применение в устройствах автоматического управления, а также широко используются в высоковольтных электросетях. Трехфазные автотрансформаторы с соединением обмоток в треугольник либо в звезду в электрических сетях весьма востребованы сегодня.

Силовые автотрансформаторы выпускаются на мощности вплоть до сотен мегаватт. Применяют автотрансформаторы и для пуска мощных двигателей переменного тока. Автотрансформаторы особенно целесообразны при невысоких коэффициентах трансформации.

Частным случаем автотрансформатора является лабораторный автотрансформатор (ЛАТР). Он позволяет плавно регулировать напряжение, подаваемое к потребителю. Конструкция ЛАТРа представляет собой с единственной обмоткой, которая имеет неизолированную «дорожку» от витка к витку, то есть имеется возможность подключения к каждому из витков обмотки. Контакт с дорожкой обеспечивается скользящей угольной щеткой, которая управляется поворотной ручкой.

Так можно получить на нагрузке действующее напряжение различной величины. Типичные однофазные ЛАТРы позволяют получать напряжение от 0 до 250 вольт, а трехфазные - от 0 до 450 вольт. ЛАТРы мощностью от 0,5 до 10 кВт очень популярны в лабораториях для целей наладки электрооборудования.

Называется трансформатор, первичная обмотка которого подключается к источнику тока, а вторичная - к защитным или измерительным приборам, имеющим малые внутренние сопротивления. Наиболее распространенным типом трансформатора тока является измерительный трансформатор тока.

Первичная обмотка трансформатора тока (обычно - всего один виток, один провод) включается последовательно в цепь, в которой требуется измерить переменный ток. Получается в результате, что ток вторичной обмотки пропорционален току первичной, при этом вторичная обмотка обязательно должна быть нагружена, ибо иначе напряжение вторичной обмотки может получиться достаточно высоким, чтобы пробить изоляцию. Кроме того, если вторичную обмотку ТТ разомкнуть, то магнитопровод просто выгорит от наведенных некомпенсированных токов.

Конструкция трансформатора тока представляет собой сердечник из шихтованной кремнистой холоднокатаной электротехнической стали, на который намотана одна или несколько изолированных обмоток, являющихся вторичными. Первичная обмотка зачастую - просто шина, либо пропущенный через окно магнитопровода провод с измеряемым током (на этом принципе, кстати, работают ). Главная характеристика трансформатора тока - коэффициент трансформации, например 100/5 А.

Для измерения тока и в схемах релейной защиты трансформаторы тока применяются достаточно широко. Они безопасны, поскольку измеряемая и вторичная цепи гальванически изолированы друг от друга. Обычно промышленные трансформаторы тока выпускаются с двумя или более группами вторичных обмоток, одна из которых подключается к защитным устройствам, другая - к устройству измерения, например к счетчикам.

Почти во всех современных сетевых блоках питания, в разнообразных инверторах, в сварочных аппаратах, и в прочих силовых и маломощных электрических преобразователях применяются импульсные трансформаторы. Сегодня импульсные схемы почти полностью вытеснили тяжелые низкочастотные трансформаторы с сердечниками из шихтованной стали.

Типичный импульсный трансформатор представляет собой трансформатор выполненный на ферритовом сердечнике. Форма сердечника (магнитопровода) может быть совершенно различной: кольцо, стержень, чашка, Ш-образный, П-образный. Преимущество ферритов перед трансформаторной сталью очевидно - трансформаторы на феррите могут работать на частотах до 500 и более кГц.

Поскольку импульсный трансформатор является высокочастотным трансформатором, то и габариты его с ростом частоты значительно снижаются. На обмотки требуется меньше провода, а для получения высокочастотного тока в первичной цепи достаточно полевого, или биполярного транзистора, иногда - нескольких, в зависимости от топологии импульсной схемы питания (прямоходовая - 1, двухтактная - 2, полумостовая - 2, мостовая - 4).

Справедливости ради отметим, что если применяется обратноходовая схема питания, то трансформатор по сути является сдвоенным дросселем, поскольку процессы накопления и отдачи электроэнергии во вторичную цепь разделены во времени, то есть они протекают не одновременно, поэтому при обратноходовой схеме управления это все же дроссель, а не трансформатор.

Импульсные схемы с трансформаторами и дросселями на феррите встречаются сегодня всюду, начиная от балластов энергосберегающих ламп и зарядных устройств различных гаджетов, заканчивая сварочными аппаратами и мощными инверторами.

Для измерения величины и (или) направления тока в импульсных схемах часто применяют импульсные трансформаторы тока, представляющие собой ферритовый сердечник, зачастую - кольцевой (тороидальный), с единственной обмоткой. Через кольцо сердечника продевают провод, ток в котором нужно исследовать, а саму обмотку нагружают на резистор.

Например, кольцо содержит 1000 витков провода, тогда соотношение токов первичной (продетый провод) и вторичной обмотки будет 1000 к 1. Если обмотка кольца нагружена на резистор известного номинала, то измеренное напряжение на нем будет пропорционально току обмотки, а значит измеряемый ток в 1000 раз больше тока через этот резистор.

Промышленностью выпускаются импульсные трансформаторы тока с различными коэффициентами трансформации. Разработчику остается только подключить к такому трансформатору резистор и схему измерения. Если требуется узнать направление тока, а не его величину, то обмотка трансформатора тока нагружается просто двумя встречными стабилитронами.

Связь между электрическими машинами и трансформаторами

В курсы электрических машин, изучаемые на всех электротехнических специальностях учебных заведений, включают всегда и электрические трансформаторы. По существу, электрический трансформатор - не электрическая машина, а электрический аппарат, так как он не имеет движущихся частей, наличие которых является характерным признаком всякой машины как разновидности механизма. По этой причине упомянутые курсы следовало бы, во избежание недоразумений, называть «курсами электрических машин и электрических трансформаторов».

Включение трансформаторов во все курсы электрических машин объясняется двумя причинами. Одна из них - исторического происхождения: те же заводы, которые строили электрические машины переменного тока, строили и трансформаторы, так как лишь наличие трансформаторов давало то преимущество машинам переменного тока над машинами постоянного тока, которое в конечном счете привело к их преобладанию в промышленности. И сейчас нельзя представить себе крупной установки переменного электрического тока без трансформаторов.

Однако, по мере развития производства машин переменного тока и трансформаторов, сделалось необходимым сосредоточение производства трансформаторов на специальных трансформаторостроительных заводах. Дело в том, что, в связи с возможностью передачи электроэнергии переменного тока при помощи трансформаторов на большие расстояния, рост высшего напряжения трансформаторов шел значительно быстрее, чем рост напряжения электрических машин переменного тока.

На нынешней стадии развития электрических машин переменного тока наивысшим рациональным напряжением для них является 36 кВ. В то же время высшее напряжение в реально осуществленных электрических трансформаторах достигло 1150 кВ. Столь высокие напряжения трансформаторов и работа их на воздушные линии электропередачи, подверженные воздействию грозовых разрядов, породили много специфических трансформаторных проблем, чуждых электрическим машинам.

Это привело при производстве к технологическим проблемам, столь отличающимся от технологических проблем электромашиностроения, что выделение трансформаторов в самостоятельное производство стало неизбежным. Таким образом, первая причина - производственная связь, роднившая трансформаторы с электрическими машинами, исчезла.

Вторая причина - принципиального характера, состоящая в том, что в основе применяемых на практике электрических трансформаторов, так же как и электрических машин, лежит , - остается незыблемой связью между ними. При этом, для понимания многих явлений в машинах переменного тока, знание физических процессов, протекающих в трансформаторах, совершенно необходимо и, кроме того, теория большого класса машин переменного тока может быть сведена к теории трансформаторов, благодаря чему облегчается их теоретическое рассмотрение.

В силу этого, в теории машин переменного тока теория трансформаторов занимает прочное место, из чего, однако, не следует, что трансформаторы можно называть электрическими машинами. Кроме того, нужно иметь в виду, что у трансформаторов целевая установка и процесс преобразования энергии другие, чем у электрических машин.

Цель электрической машины состоит в том, чтобы преобразовать механическую энергию в электрическую энергию (генератор) или, обратно, электрическую энергию в механическую энергию (двигатель), между тем, в трансформаторе мы имеем дело с преобразованием электрической энергии переменного тока одного вида в электрическую энергию переменного тока другого вида.