Что преобразует трансформатор

Зачем нужен трансформатор в импульсном преобразователе электрической энергии? Часть 1

Что преобразует трансформатор

Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2018

Александр Русу, Одесса

Схем импульсных преобразователей электрической энергии очень много. Понижающая, повышающая, инвертирующая, прямоходовая, обратноходовая, с выводом средней точки трансформатора (Push-Pull), полумостовая, мостовая и даже «косомостовая» (двухтранзисторная) – в них можно легко потеряться и «утонуть» даже опытному специалисту, не говоря уже о новичках.

При этом все они решают одну и ту же задачу – преобразование напряжения одной величины в одно или несколько напряжений другого уровня. Кроме этого, иногда они еще обеспечивают и гальваническую развязку – электрическую изоляцию входных цепей от выходных.

Но зачем так много схем? Неужели нельзя придумать одно универсальное решение, которое можно было бы использовать в любых ситуациях?

К сожалению, нельзя. Хотя бы потому, что кроме коэффициента передачи по напряжению и существования гальванической развязки, импульсный преобразователь имеет еще несколько параметров, основными из которых являются габариты, масса, КПД и стоимость. И тут уже на первый план выходит конкретная задача, которая стоит перед разработчиком. В одних случаях преобразователь должен быть компактным и легким, в других – дешевым, а в третьих – иметь максимальный КПД.

Области применения и принципы работы всех без исключения популярных схем преобразователей очень хорошо описаны в технической литературе.

Но вот почему эти схемы имеют именно такой вид? Есть ли для разработчика «возможности маневра» – нестандартной модификации схемы для еще лучшего решения поставленной задачи? Для ответов на эти вопросы необходимо досконально разбираться в сложной взаимосвязи технических характеристик и энергетических процессов, происходящих при импульсном преобразовании электрической энергии, а это, к сожалению, не так просто.

Рассмотрим, например, компьютерный блок питания АТХ (Рисунок 1). В нем переменное напряжение сети преобразуется входным выпрямителем в постоянное величиной около 300 В. Потом из него двумя импульсными DC-DC преобразователями формируются постоянные напряжения необходимых уровней, основными из которых являются +5 В и +12 В. (Предвидя возможную критику, сразу обращаю внимание читателей, что эта статья не о компьютерных блоках питания, поэтому структурная схема очень упрощена).

Рисунок 1. Очень упрощенная структурная схема блока питания ATX.

Почему используются два преобразователя – понятно интуитивно: преобразователь дежурного режима питает схемы компьютера, которые должны работать круглосуточно, например, сетевую плату с возможностью дистанционного управления, а основной преобразователь – только тогда, когда это необходимо.

Но почему преобразователь дежурного режима построен по простой обратноходовой схеме, а основной – по более сложной, например, полумостовой? Обе схемы преобразуют входное постоянное напряжение 300 В в 5 В и 12 В (и другие необходимые напряжения) и теоретически могут обеспечить любое количество электрически изолированных выходных каналов с любыми уровнями напряжений. Но полумостовая схема намного сложнее обратноходовой. Она содержит больше индуктивных и полупроводниковых элементов, имеет более сложную схему управления и теоретически должна быть более дорогой и менее надежной. Почему же тогда основной преобразователь в компьютерном блоке питания сделан по полумостовой, а не по обратноходовой схеме?

Ответ на этот вопрос и будет получен в этой статье, которая является первой частью своеобразного итога цикла, уже опубликованных в журнале РадиоЛоцман материалов [1 – 6]. При необходимости читатель в любой момент может с ними ознакомиться, а для желающих более основательно разобраться в сути вопроса предлагаются более «тяжелые» статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах [7, 8].

Чем отличается дроссель от трансформатора?

Я уверен, специалистам уже известно, что схема силовой части преобразователя выбирается на основе его мощности.

В приведенном примере (Рисунок 1) мощность обратноходового преобразователя дежурного режима равна приблизительно 5 Вт, а вот мощность основного начинается от 200 Вт и может превышать 1 кВт для «серьезных» системных блоков.

Но ведь обратноходовая схема не имеет теоретического ограничения на уровень максимальной мощности. Почему же тогда очень сложно найти обратноходовой преобразователь мощностью более 200 Вт? Давайте разбираться.

Для того чтобы изменить параметры электрической энергии, например, величину напряжения, необходимо преобразовать эту энергию в какой-нибудь другой вид, а затем снова превратить в электричество.

С наименьшими потерями это можно реализовать, передав электрическую энергию через магнитное поле, и на сегодняшний день существует всего два прибора, которые позволяют это сделать наиболее просто и эффективно: дроссель и трансформатор. Эти приборы практически идентичны по своей конструкции и отличаются только режимами работы.

Трансформатор пропускает энергию «сквозь себя», не накапливая ее в магнитном поле, а дроссель работает по принципу «взял-сохранил-отдал» [1]. Поэтому у трансформатора токи обмоток, связанные с первичными и вторичными цепями, протекают одновременно, а у дросселя – в разные интервалы времени.

Это приводит к тому, что трансформатор преобразует энергию непрерывно, а дроссель – порциями. Поскольку энергия, преобразуемая дросселем, должна накапливаться в магнитопроводе, его объем V должен удовлетворять условию [1]

(1)

где

  • SС и LСР – соответственно, площадь поперечного сечения и средняя длина магнитной линии магнитопровода;
  • μ0 ≈ 1.257∙10–6 Гн/м – магнитная проницаемость вакуума;
  • μЭКВ – эквивалентная магнитная проницаемость магнитопровода, учитывающая все особенности его конструкции, в том числе и наличие немагнитных зазоров;
  • BMAX – максимальная индукция в магнитопроводе;
  • Р – преобразуемая мощность (чем она отличается от мощности преобразователя описано в [1]);
  • f – частота преобразования.

Однако кроме магнитопровода дроссель и трансформатор содержат еще и обмотки, которые необходимо разместить в окне площадью SО.

В [6] было показано, что площадь, занимаемая обмоткой в окне, прямо пропорционально количеству витков, которое, в свою очередь, зависит от площади поперечного сечения магнитопровода SC.

Площади окна и поперечного сечения настолько взаимосвязаны, что и для индуктивных элементов существуют специальные формулы, позволяющие приблизительно оценить необходимо значение произведения SСSО в зависимости от конкретной задачи. Для дросселя такая формула была получена в [6]:

(2)

где

  • кС, кО – соответственно, коэффициенты заполнения магнитопровода и окна активным материалом;
  • J – плотность тока в обмотках;
  • ΔВ – размах магнитной индукции;
  • к1_MAX, к2_MAX – соответственно, относительные максимальные длительности первого и второго этапов преобразования [6].

Получим аналогичную формулу для трансформаторов. Для упрощения представим, что трансформатор работает с напряжениями прямоугольной формы (Рисунок 2).

Рисунок 2. Режим работы трансформатора.

В окне трансформатора должны разместиться как минимум две обмотки с количеством витков, соответственно, N1 и N2. Необходимую площадь сечения окна можно определить по формуле

(3)

где I1, I2, J1, J2 – соответственно, действующие значения и плотности токов первичной и вторичной обмоток.

Поскольку у трансформатора токи первичной и вторичной обмоток протекают одновременно, то, согласно закону полного тока, их намагничивающие силы должны компенсировать друг друга (более подробно об этом рассказано в [4]). Считая, что ток намагничивания пренебрежимо мал по сравнению с токами, создаваемыми нагрузками, можно записать N1I1 = N2I2. Поэтому при одинаковых плотностях тока в обмотках (J1 = J2 = J) формула (3) пример вид

(4)

Из формулы (4) видно, что, также как и для дросселей, для трансформаторов площадь, занимаемая обмоткой в окне зависит от количества витков, зависящего, в свою очередь, от площади поперечного сечения магнитопровода SС [6]:

(5)

где U1 – среднее значение напряжения u1(t), приложенного к первичной обмотке в течение времени Δt и приводящее к изменению магнитной индукции на величину ΔB (Рисунок 2).

Подставив (5) в (4) получим формулу, с помощью которой можно определить минимально необходимое значение произведения SСSО для трансформатора:

(6)

При прямоугольной форме напряжений и токов (Рисунок 2) и отсутствии потерь произведение U1I1 можно считать приблизительно равным преобразуемой трансформатором мощности (P ≈ U1I1).

Кроме того, время Δt, за которое магнитная индукция успевает измениться на величину ΔB, равно половине периода входного напряжения (Δt = 0.5T = 0.5/f, где f – частота работы трансформатора).

Таким образом, для трансформатора, с учетом неполного заполнения магнитопровода и окна, соответственно, магнитным и проводящим материалами, минимальное значение произведения SСSО должно удовлетворять условию:

(7)

Сравнивая формулы (2) и (7) видим, что при одних и тех же условиях (равенстве коэффициентов заполнения сердечника кС и окна кО, плотности тока J, размахе магнитной индукции ΔB, рабочей частоте f и преобразуемой мощности P) для дросселя требуется магнитопровод в два раза больший, чем для трансформатора. (Скобки в формуле (2), учитывающие форму токов обмоток при работе преобразователя в граничном режиме, в лучшем случае дадут уменьшение SСSО всего на 510%).

Список источников

Окончание

Источник: https://www.rlocman.ru/review/article.html?di=580433

Для чего нужны трансформаторы: устройство, принцип работы, назначение и применение

Что преобразует трансформатор

Люди, незнакомые с электрикой, могут и не знать, для чего нужен трансформатор и как он выглядит. Роль этого устройства для технического прогресса можно считать одной из самых недооценённых, хотя благодаря его изобретению человечество получило широкий доступ к электроэнергии. За более чем 100 лет эволюции трансформаторы стали ключевыми компонентами не только энергетических систем, но и самых разнообразных радиоэлектронных устройств.

Трансформатором называют электрическое устройство, предназначенное для переноса электроэнергии переменного тока от одной цепи к другой с сохранением первоначальной частоты. Основа его конструкции — ферромагнитный сердечник с несколькими обмотками провода. Входное напряжение подключается к так называемой первичной обмотке, а выходное снимается со вторичных.

Переменный ток в первичной катушке индуцирует переменный магнитный поток, который локализуется в сердечнике, изменяет своё направление в течение каждого электрического цикла. Он же индуцирует переменный ток в каждой из вторичных обмоток.

Различные виды трансформаторов классифицируются в зависимости от конструкции, типа питания, охлаждения и так далее. Подробнее:

  • По целям. Здесь различают два основных типа — повышающие и понижающие напряжение. Существуют также разделительные трансформаторы, задачей которых является гальваническая развязка цепей без изменения параметров.
  • По типу питания. Различают однофазные и трехфазные. Три отдельных однофазных, соединённых в общую электрическую схему, могут работать в качестве трёхфазного.
  • По способу охлаждения. Разделяют на естественное и принудительное, воздушное и масляное.

Большинство трансформаторов в мире — это однофазные устройства воздушного охлаждения, понижающие напряжение. Но самые массивные и мощные из них работают как раз на повышение напряжения.

Транспортировка электроэнергии

Генераторы электростанций вырабатывают электроэнергию до десятков киловольт. Теоретически её в неизменном виде можно передать потребителям. Но с ростом мощности источника и расстояния транспортировки растут и проблемы потерь на нагрев проводов. При определённых значениях сама передача энергии может терять всякий смысл. Уменьшить потери можно только двумя способами:

  • снижением сопротивления проводов;
  • повышением напряжения передаваемой электроэнергии.

Первый способ реализуется увеличением площади поперечного сечения проводов. Это крайне дорого и сложно технически, так как влечёт за собой не только удорожание и утяжеление самих линий, но и усиление конструкций, их удерживающих. На больших расстояниях это просто невыгодно экономически, а то и нереально.

Во втором случае, согласно закону Ома, при уменьшении силы тока потери снижаются пропорционально квадрату силы тока. Это очень привлекательно с позиции снижения капитальных затрат на строительство и содержание системы энергопередачи. Поднять напряжение и одновременно снизить ток при неизменной мощности — вот зачем нужны трансформаторы в этом случае.

Поскольку электроэнергия высокого напряжения не может быть распределена между потребителями непосредственно, её приводят к желаемым параметрам с помощью понижающих трансформаторов. Таким образом, транспортировка энергии не обходится без предварительного и последующего преобразования, поэтому без силовых трансформаторов передача электроэнергии на большие расстояния в современном мире невозможна.

Преобразователи напряжения в схемах питания

Бытовые электрические сети стандартизированы по напряжению и частоте переменного тока, а вот приборы, которые подключаются к ней, могут нуждаться в совсем иных параметрах питания. Например, процессоры и компоненты электроники работают только в низковольтных цепях постоянного тока. Для того чтобы универсальность источника не была преградой для работы техники, подключаемые устройства комплектуют встроенными или наружными преобразователями напряжения на основе трансформаторов.

В линейных или традиционных источниках питания используются силовые трансформаторы. Они великолепно справляются с большой нагрузкой, но обладают некоторыми недостатками:

  • Большие размеры, обусловленные частотой сети 50 Гц. Это сказывается на весе источников питания, например, при выходном напряжении 16 В на каждый ампер выходного тока требуется приблизительно 0,5 кг массы.
  • Сравнительно большие потери мощности на тепло и, как следствие, низкий КПД.
  • Заметное потребление на холостом ходу.

Из-за перечисленных недостатков они были вытеснены импульсными преобразователями в зарядных устройствах и компьютерной технике. В подобных блоках питания электроэнергия попадает на трансформатор через фильтр и электронную схему в виде тока с очень высокой частотой. Благодаря этому КПД передачи мощности резко возрастает. Таким образом, блоки питания, работающие на этом принципе, значительно меньше и легче традиционных аналогичной мощности.

Но если сравнивать силовые трансформаторы с импульсными преобразователями питания, то первые являются меньшими источником электромагнитных помех, особенно в диапазоне высоких частот. Это свойство важно для их применения в аудиофильской технике, лабораторном оборудовании и радиоаппаратуре.

Преобразование электроэнергии для передачи её от производителя до потребляющих приборов — очень ёмкая, но далеко не единственная область применения трансформаторов. Огромное разнообразие этих устройств можно встретить в самых непохожих местах — от звукоснимателя и микрофона до сварочного аппарата и мощных измерительных приборов. А в качестве преобразователя напряжения сети трансформаторы окружают человека повсюду.

Источник: https://220v.guru/elementy-elektriki/transformatory/vidy-transformatorov-dlya-chego-nuzhny-eti-ustroystva.html

Трансформатор: виды, схемы подключения, принцип работы и сферы применения

Что преобразует трансформатор

В 1831 году английский физик Майкл Фарадей обнаружил событие электромагнитной индукции. Оно и легло в основу работы электрического преобразователя. При выполнении исследований в сфере электричества Фарадей изложил в своих записях опыт, в котором он накрутил на железное кольцо окружностью пятнадцать сантиметров и толщиной два сантиметра две медных проволоки длиной пятнадцать и восемнадцать сантиметров.

Изображение будущего трансформатора на схеме впервые обнаружили 1831 году в работах М. Фарадея и Д. Генри. Позже Г. Румкорф придумал индукционную катушку особой конструкции, которая являлась, по сути, первым трансформатором.

Братья Гопкинсон создали теорию электромагнитных цепей. Они первыми научились рассчитывать магнитоцепи. Но они не понимали одного: этот прибор имеет свойство изменения напряжения и тока, а именно изменения переменного тока в постоянный, что и делает трансформатор. Эптон, помощник Эдисона, порекомендовал делать сердечники наборными, из отдельных листов металла, чтобы вихревые токи были локализированы.

Охлаждение при помощи масла повлияло на надежную работу преобразователя в лучшую сторону. Свинберн опускал трансформатор в керамический сосуд, наполненный маслом, что в разы повышало надёжность изоляционной обмотки.

В 1928 году было начато производство силовых трансформаторов в СССР, на Московском трансформаторном заводе. В начале 1900-х ученый-металлург Р. Хедфилд на основе своих опытов выяснил, что разнообразные добавки влияют на свойства железа.

В ходе дальнейших экспериментов он разработал первый пробник стали, в состав которой входил кремний.

Следующим шагом в процессе производства сердечников было установление того факта, что при смешанном воздействии прокатки и нагревания у стали, содержащей кремний, появляются элементарные новые магнитные свойства: магнитное обогащение возросло на 50 %, траты на гистерезис уменьшились в 4 раза, а магнитное проникание увеличилось в 5 раз.

Назначение и применение

Трансформатор — это статический электромагнитный преобразователь с двумя или больше неподвижными обмотками, который предназначен для преобразования с помощью электромагнитной индукции параметров электрических величин. Трансформаторы применяются в энергетических системах при передаче электроэнергии от электрической станции к потребителю и в разнообразных электроустановках для получения напряжений нужной величины.

В данной статье приведен пример простого трансформатора небольшой мощности, который часто применяется в устройствах автоматики, измерительно—вычислительной технике, различных приборах.

Рис. 1 Электромагнитная схема трансформатора однофазного в режиме работы.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Каким током заряжать кислотный аккумулятор

Первичная и вторичная обмотка

Трансформатор имеет две обмотки:

  • первичную (I) — к которой мы подводим электрическую энергию;
  • вторичную (II) — к которой мы прикрепляем электроприемник.

Может быть высокого (в.н.) и низкого (н.н.) напряжения

В случае когда вторичное напряжение менее первичного, трансформатор понижающий преобразует электроэнергию с 380 В до 220 В, если происходит наоборот, тогда трансформатор повышающий.

Давайте подробнее разберём, что делает и как устроен трансформатор, изображённый на рисунке 1.

Принцип работы

На обмотку возбуждения подаём переменное напряжение U1, так как обмотка возбуждения обладает сопротивлением, создаётся электрический ток. Ток, проходя по виткам, наводит магнитодвижущую силу, а магнитодвижущая сила наводит магнитный поток.

Магнитный поток идет по сердечнику, проходя все витки первичной и вторичной обмоток. В этом случае магнитный поток (Фт) является основным, т. е. рабочим.

Вторая (меньшая) часть потока замыкается при помощи воздуха, проходя только через витки первичной обмотки, и является потоком рассеивания Фs1.

Если вторичная цепь (питаемая от вторичной (II) обмотки) разомкнута, то, естественно, ток отсутствует, нет возможности образования магнитного поля. Но вот мы замкнули (II) цепь, по ней пошёл ток. Значит, образуется магнитное поле, которое, в свою очередь, создаёт два магнитных потока:

  • 1 поток — в сердечник;
  • 2 поток — замыкается по воздуху.

Это означает, что вокруг (II) обмотки тоже наводится поток рассеивания. Потоки рассеивания подобны магнитному потоку самоиндукции, создающему ток в той или иной катушке индуктивности и различном проводе. Потоки являются вредными. В применении правила электромагнитной индукции при изменении главного магнитного потока наводится ЭДСв (I) Е1 и во (II) Е2 обмотках.

Так как по (I) спирали с числом витков w1 и по (II) спирали с числом витков w2 проходит один и тот же основной поток, то, следовательно, в каждом витке обеих спиралей наводится равная по значению ЭДСе. Таким образом, Es1 = ew1 и Еs2 = ew2, из этого следует, что К — коэффициент изменения трансформатора.

Поток рассеивания наводит электродвижущая сила рассеивания в первичной обмотке Es 1. Значит, напряжение, подведённое к (I) обмотке трансформатора U1, должно соответствовать падению напряжения в действующем сопротивлении I1 r1 (I) обмотки,электродвижущая сила Esl рассеивания и ЭДС E1 главного потока.

При разъединенной (II) цепи, Es 1 и I1 r1 ничтожно малы, значит, электродвижущая сила Е1, наведённая в (I) обмотке, в полном объёме оправдывает приложенное напряжение U1. При размыкании (II) цепи ЭДС Е2 электрический ток перестаёт поступать, но если замкнуть (II) обмотку,подключив электроприемники, то под воздействием (II) ЭДС по (II) цепи пойдёт ток, подходящая к трансформатору (I) мощность изменяется во (II) и применяется для приёмников электроэнергии.

Если не брать во внимание потери, можно принять, что подходящая мощность E1 I1 почти равна (II) мощности Е2 I2 (I1 и I2 — (I) и (II) токи трансформатора). То есть при изменении (I) и (II) токи примерно обратно пропорциональны числам соответствующих обмоток.

(II) ток I2, протекая по спирали, создаёт ампер-спираль I2 w2 , проходящие в той же цепи трансформатора, что и ампер-витки (I) спирали.

Значит, при нагрузке главный электромагнитный поток будет ориентироваться на совместное действие ампер-витков l1 w1 (I) и ампер-витков I2 w2 (II) обмоток.

По закону Джоуля-Ленца электроиндукционный во второстепенной обмотке ток сосредоточен так, что тормозит изменение электромагнитного потокосцепления. Перемена электромагнитного потока провоцируется первичными ампер-витками l1 w1.

Необходимо протекание II тока в таком направлении, чтобы образовавшиеся ампер — спирали работали в противоположную сторону от I обмотки.

Падение главного магнитного потока из-за потери магнитного действия II ампер — спиралей спровоцирует упадок индукционной и электродвижущей силы в I обмотке.

В случае когда напряжение, поступающее к клемам I обмотки, постоянное, при падении оно не выравнивает напряжение, из-за этого ток возрастает до параметров, при которых возобновляется равенство напряжений. При этом главный магнитный поток обязан сохранять параметры, равные величине главного потока при свободном ходе. При любых нагрузках преобразователя напряжение U1 должно соответствовать электродвижущей силе Е1 (понижение напряжения в I обмотке игнорируем).

Необходимо, чтобы главный электромагнитный поток Фт оставался постоянным при различной нагрузке трансформатора. Ток I1 в (I) обмотке должен компенсировать воздействие ампер-витков, возникающих при токе I2 во (II) обмотке. Напряжение на клеммах (I) обмотки всегда менее ЭДС Е2 в результате уменьшения напряжения в активном и реактивном противодействиях вторичной обмотки.

Трансформаторы бывают с содержанием масла и без масла — сухие. В содержащих масло приборах рабочая часть (обмотка и магнитная система) находится в баке, наполненном трансформаторной жидкостью. Рабочая часть сухих трансформаторов остывает при помощи окружающего воздуха. Масштаб мощностей энергосиловых масляных — от 10 кВА до 630 тысяч кВА, сухих — от единиц ВА до 1600 кВА.

Силовые однофазные трансформаторы мощностью 4 кВА и меньше и трехфазные — 5 кВА и меньше имеют отношение к устройствам малой мощности. Они часто используются в трансформационной, домашней технике, радиоэлектронной аппаратуре.

Маркировки масляных устройств

  • ТМ — масляный, трехфазный;
  • О — имеет одну фазу;
  • Н — есть возможность управления напряжением при работе;
  • Р — наличие раздельной обмотки;
  • Д — охлаждение с выдуванием при помощи масла (обдув теплообменников трансформатора вентиляторами);
  • Ц — вращающееся охлаждение масла с помощью его вывода из бака и охлаждения воздухом или водой.

Далее пишут цифры, которые обозначают мощность и первое напряжение.

Допустим: ТМ — 1000/10 — трансформатор, работающий на масле, мощностью (P) 1 тыс. кВА, 10 кВ. Сухие трансформаторы обозначаются:

  • ТСЗ — трансформатор имеет три фазы, сухой, защищённый. Они выпускаются в маштабе мощностей от 10 до 1600 кВА;
  • ВН (высокое напряжение) — 380, 500, 660, 10 тыс. В;
  • НН (низкого напряжения) — 230 и 400 В.

Приборы маленькой мощности поступают в продажу, имея большое количество серий, типов и размеров. С силовыми очень часто прилагаются трансформаторы, измеряющие ток и напряжение. При помощи трансформаторов тока можно обеспечить безопасную работу цепей релейной защиты и определить любой объем тока специальными приборами. Их паспортный вторичный ток 1 и 5 А.

Первичный ток — в диапазоне от 5 А до 24000 А при напряженной работе данной сети от 0,4 до 24 кВ. Трансформаторы, работающие на ток и напряжение, производятся серийно 35, 110, 220, 330, 500, 750 кВ.

Основные обозначения:

  • Т — трансформатор тока;
  • П — проходящий;
  • Л — цельная изоляция на базе смол;
  • М — мало занимающий место;
  • О — односпиралевый;
  • Н — навесной;
  • Ш — с применением шины;
  • У — мощный;
  • К — встраиваемый в комплексные трансформаторные станции.

ТН применяются в цепях непостоянного тока напряжением от 0,4 до 1150 кВ для питания определяющих приборов и цепей релейной защиты. ТН до 35 кВ инклюзивно применяются в сетях с защищённой нейтралью. Класс надёжности 0,5; 1 и 3 соответствует самой большой погрешности в % измеряемого паспортного напряжения 0,5%; 1%; 3%.

ТН делятся на сухие и масляные. Обозначения ТН:

  • Н — трансформатор напряжения;
  • О — однофазный;
  • С — сухого исполнения;
  • М — масляным охлаждением;
  • З — заземление выводом первичной обмотки;
  • К — компенсацией угловой погрешности трансформатора;
  • Л — исполнение с литой изоляцией;
  • Э — для установки на экскаваторах.

Трансформаторы типа НОС, НОЛ, ЗНОЛ — сухие , НОМ, НОМЭ, НТМК, НТМИ, ЗНОМ — масляные природным охлаждением.

Источник: https://tokar.guru/stanki-i-oborudovanie/transformatory-raznovidnosti-shemy-obmotki.html

Для чего служит трансформатор: особенности, принцип работы и применение

Для начала разберемся, для чего служит трансформатор и что это такое. Это электрическая машина, предназначенная для изменения напряжения тока. Они бывают разные в зависимости от назначения.

Существуют трансформаторы тока, напряжения, согласующие, сварочные, силовые, измерительные. У всех разные задачи, но однозначно их объединяет принцип действия. Любые трансформаторы работают на переменном токе.

Не существует таких устройств постоянного тока. Все они имеют первичную и вторичную обмотки.

Что называют первичной, а что — вторичной обмоткой?

Первичной считается та, на которую приходит напряжение, а вторичная – та, с которой его снимают. Предположим, что мы имеем трансформатор, который преобразует 220 В переменного тока в 12 В. В таком случае первичной обмоткой является та, которая на 220 В. Но трансформаторы могут не только понижать, но и повышать напряжение. Таким образом, подключая 12 В переменного тока на ранее указанную вторичную обмотку, мы с первичной можем снимать 220 В. Таким образом они меняются местами.

В некоторых случаях вторичных обмоток может быть несколько. Например, в старых телевизорах стояли устройства с одной первичной обмоткой и множеством вторичных, напряжение на которых варьировалось от 3,3 до 90 В. В любом случае трансформатор служит для преобразования напряжений и токов до оптимальных значений.

Закон сохранения энергии

Следует понимать, что данный агрегат не берет энергию из ниоткуда. Для примера возьмем трансформатор с напряжением первичной обмотки 220 В и током 5 А. Это значит, что его мощность составляет 1100 Вт. Со вторичной обмотки на 22 В мы сможем снять ток не более 50 А.

Переведя в ватты, получаем те же 1100 Вт. Больше мощности со вторичной обмотки мы не снимем. При попытке это сделать устройство просто выйдет из строя. Таким образом, становится ясно, для чего служит трансформатор. Для преобразования переменного напряжения в постоянное.

Далее расскажем подробнее о каждом виде таких устройств.

Такие приборы служат для снижения величин до приемлемых для измерительных приборов. Применяются они в контрольно-измерительных приборах. Также можно встретить такие устройства в микропроцессорной технике. Там они работают как датчик, который посылает сигналы разного уровня на плату, в зависимости от чего последняя «принимает решение» о дальнейшем функционировании прибора.

Как правило, они обладают высокой точностью и не предназначены для питания потребителей. Примерами, для чего служат измерительные трансформаторы, могут быть приведенные ниже устройства для преобразования тока и напряжения. Мы постараемся максимально подробно объяснить их назначение.

Трансформаторы тока

Для чего служат подобные устройства? Они предназначены для снижения величины тока до приемлемой измерительным оборудованием. По сути, они являются промежуточным оборудованием между проводниками, с которых необходимо снять значение величины, и измерительным механизмом.

Применяются такие трансформаторы, как уже было ранее сказано, в измерительных приборах, оборудовании защиты и автоматике.

Подключаются же они таким образом: первичная обмотка имеет несколько витков и включается последовательно нагрузке, а вторичная — на минимально возможное сопротивление защитного или измерительного оборудования.

Обычно такие трансформаторы поставляются вместе с самим оборудованием, так как незначительные изменения в сопротивлении нагрузки повлияют на точность измерений, а оборудование защиты не будет работать должным образом. Конструктивная особенность и способ подключения таких приборов делают невозможным питание потребителя.

Трансформаторы напряжения

Этот вид устройств не применяется для питания потребителей, а необходим для создания гальванической развязки между высоковольтной и низковольтной частью. Метод изготовления ничем не отличается от силовых видов устройств с аналогичным названием. Все так же имеется первичная и вторичная обмотки, сечение провода довольно низкое, что не позволяет использовать его для питания потребителей.

Для примера возьмем киловольтметр. Дело в том, что соорудить прибор, который бы держал высокое напряжение, слишком накладно. Поэтому между измерительными щупами, которые снимают значение величин, и прибором устанавливается трансформатор напряжения.

Он преобразует высокие величины до приемлемых измерительным механизмом (примерно 100 В). Такая мера позволяет не вносить изменения в измерительный механизм.

В некоторой степени такая схема подключения позволяет обезопасить электрика, который проводит замеры.

Также их применяют для установки в различные автоматизированные системы управления и защиты. Теперь вы знаете для чего служат трансформаторы напряжения. Перейдем к следующему типу – сварочным устройствам с одноименным названием.

Силовые трансформаторы

Это более мощные устройства, которые многие из вас видели. Далее подробно расскажем, для чего служат силовые трансформаторы. Они нужны для повышения/понижения напряжения посредством электромагнитной индукции до той величины, которая необходима потребителю. В случае с данными устройствами под словом “потребитель” подразумеваются производства и жилые дома.

Самым ярким примером служат устройства, которые понижают 6(10) кВ до приемлемых 380 В, которые уже отдельно взятой фазой в совмещении со средней линией питают наши дома необходимыми 220 В.

А пример такого повышающего трансформатора можно встретить в микроволновке, где тот из сетевых 220 В делает необходимые для работы магнетрона 2 кВ.

Высоковольтные агрегаты (свыше 1000 В) почти всегда трехфазные, и их подразделяют на устройства масляного или воздушного охлаждения, а также по климатическому исполнению и по напряжению первичной обмотки.

Особенностью трехфазных трансформаторов является то, что в зависимости от включения обмоток (звезда-треугольник) можно изменять рабочее напряжение в 1,73 раза.

Допустим, данный агрегат, соединенный треугольником на 6 кВ, может работать в сети 10 кВ, если, конечно, производитель позаботился о такой возможности со стороны изоляции. Бывают такие трансформаторы, как выше указанно, трехфазные и однофазные.

Предназначены устройства для работы с различными мощностями в зависимости от нужд потребителя.

Однофазные трансформаторы, которые раньше использовались как блоки питания, сейчас активно вытесняются различными электронными преобразователями, которые обладают большим КПД, меньшим весом и габаритами. Также силовые устройства можно подразделить по типу исполнения магнитопровода на стержневые и броневые.

Трансформатор со стержневым магнитопроводом устроен таким образом, что на П-образную деталь устанавливают на 2 катушки, а сверху замыкают ярмом. Преимуществом является то, что элементы фактически не соприкасаются друг с другом.

В броневом магнитопроводе катушка устанавливается на Ш-образную деталь. Секция, на которой находятся проводники, обычно сначала наматывается как первичная, а затем, через термостойкий разделитель, как вторичная. Преимуществом является усиленная механическая защита обмоток.

Также существуют тороидальные сердечники, но они выполняются из ферритовых колец, т. к. сооружать такую конструкцию из шихтованного магнитопровода накладно. Такие агрегаты обычно применяются в электронике и работают на высоких частотах.

Для чего служат подобные устройства? По сути, они являются самостоятельными агрегатами. То есть сварочный трансформатор — это не обвязка, обеспечивающая работу какого-либо устройства, а он сам является полноценным прибором. Назначение такого аппарата — это понижение сетевого напряжения до сравнительно низкого, примерно 50-60 В, и обеспечение большого тока.

При таком напряжении пробивает довольно короткая дуга, но поистине огромный ток обеспечивает ей большую мощность. Благодаря последнему параметру осуществляется сварка или резка металла.

Такие трансформаторы, как правило, имеют подстройку тока. Это необходимо для изменения диаметра и типа сварочного электрода. Правда, сварочные трансформаторы для бытового использования все больше вытесняются инверторами. Что не удивительно, ведь у сварочного преобразователя КПД ниже. Он сильно сажает сетевое напряжение, потребляя большие токи на первичную обмотку, обладает большим весом, низкой мобильностью, довольно сильно нагревается по сравнению с аппаратами инверторного типа.

Теперь вы знаете, как работает и для чего служит сварочный трансформатор.

Согласующий

Трансформатор данного типа применяется в различных многокаскадных схемах для согласования сопротивления между различными частями схемы. Можно встретить его в ламповом звуковом усилителе. Обычно в таких устройствах он является выходным.

Так для чего же служит трансформатор согласования с нагрузкой? Например, рабочее напряжение ламп в усилителе звуковых частот составляет 70-90 В, но ток мизерный. На динамики такое напряжение подавать нельзя, значит, его понижают до допустимого напряжения и, соответственно, ток повышается.

Целью такого трансформатора является понижение напряжения или повышение до значения, необходимого определенному узлу аппарата.

Заключение

Все аппараты для преобразования тока и напряжения объединяет принцип действия. Ключевые параметры, на которые стоит обращать внимание при покупке: напряжение первичной, вторичной обмотки, частота, коэффициент мощности и, соответственно, мощность и выходной ток.

В быту данный агрегат уже почти не применяется. Ведь сварочный трансформатор заменил инвертор, а его аналоги в блоках питания уже заменили электронные преобразователи напряжения.

Делается это по причине того, что устройства обычно обладают, по сравнению с электронными, большим весом, а также они не выгодны с экономической точки зрения из большого расхода цветного металла при производстве и дорогого ремонта.

В скором времени останутся в производстве только трансформаторные подстанции, но лишь в тех местах, где заменить их электронными компонентами не будет возможности.

В этой статье мы постарались объяснить, для чего служат трансформаторы, и немного рассказали об их основных видах.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Какие основные параметры характеризуют режим ручной дуговой сварки

Источник: https://FB.ru/article/467012/dlya-chego-slujit-transformator-osobennosti-printsip-rabotyi-i-primenenie

Что представляет собой трансформатор

 /  Статьи о трансформаторах  /  Что представляет собой трансформатор

Трансформатор представляет собой две катушки индуктивности разделённые между собой слоем изоляции предохраняющим обмотки от пробоя при чрезмерной нагрузке.

Теория

Электрический ток, как электро движущая сила , возможен только при наличии переменного (меняющегося) магнитного поля (скорость изменения магнитного поля определяется частотой питающего тока).

В простейшем электрогенераторе переменного тока, где якорь возбуждения имеет ряд (по окружности) постоянных магнитов с чередующейся полярностью .

По этому число магнитов на якоре всегда чётное, для возбуждения обмоток магнитное поле снимается минимум в двух точках обязательно на разных полюсах якоря.

Устройство

Простейший трансформатор состоит из:   1. первичной обмотки 2. вторичной обмотки

3. сердечника

Обмотки представляют собой отрезок обычно медной проволоки покрытой изоляцией с целью исключить меж виткового замыкания.
Сердечник обычно собранный из пластин электротехнической стали (также существуют сердечники из ферромагнитных материалов и конструкций трансформаторов без сердечников, применяемые при работами с током высокой и сверх высокой частоты).

Сечение сердечника должно свободно позволять магнитному полю перетекать из места полярности в место , заданному первичной обмоткой, что особенно важно при постройке трансформаторов, обеспечивающих питание для электродуговой сварки.

Задача сердечника отражать сохранять и аккумулировать магнитное поле в различных условиях работы трансформатора.  

Работа трансформатора основывается на создании и потреблении переменного магнитного обмотками.

Первичная обмотка содержит необходимое количество витков для создания максимального по силе магнитного поля и минимальной нагрузкой на питающую сеть.

Вторичная обмотка имеет необходимое количество обмоток для снятия расчетного тока, а также необходимое сечение провода по расчетным параметрам (напряжение, сила тока, мощность).

Питающий ток подаётся на первичную обмотку, в силу количества витков и сопротивления зависимого от длинны и сечения проволоки создаётся расчетно необходимое магнитное поле, полностью питающее вторичную обмотку. Ремонт трансформаторов — ответственное дело. Виток-энерго занимается ремонтом электродвигателей и трансформаторов  уже 20 лет.

Источник: http://www.vitok-energo.ru/index_page_274.html

Для чего нужен трансформатор и что он делает

Трансформатор преобразует напряжение с помощью взаимоиндукции. И по сути эта делать простая, но очень эффективная. Это происходит благодаря переменному магнитному полю, которая связывает несколько катушке друг с другом. Трансформатор преобразует только переменный или импульсный ток.

Для чего он нужен

У трансформатора много полезных и важных функций, без которых были бы больше потери по мощности.

Передает электричество на расстояние

Он способен повышать переменное напряжение. Это помогает передавать переменный ток на большие расстояния.

Так как у проводов тоже есть сопротивление, от источника тока требуется высокое напряжение, чтобы преодолеть сопротивление проводов.

Поэтому, трансформаторы незаменимы в электросетях, где они повышают напряжение до десятки тысяч вольт.

Еще возле электростанций, которые вырабатывают электрический ток, стоят распределительные трансформаторы. Они повышают напряжение для передачи их потребителям. А возле потребителей стоит понижающий трансформатор, который уменьшает напряжение до 220 В 50 Гц.

Питает электронику

Трансформатор — это часть блока питания. Он понижает входное сетевое напряжение, которое затем выпрямляется диодным мостом, фильтруется и подается на плату.

Так работают классические схемы блока питания. Используются в микроволновках и сварочных аппаратах.

Импульсные трансформаторы

У импульсных трансформаторов другой тип действия. Они преобразуют напряжение до высоких частот с помощью схемы управления. Конечно из-за этого усложняется схема работы, но это позволяет накапливать большое количество энергии в катушках. Большое преимущество перед классическим трансформаторов- это компактность.

Если классический трансформатор на 100 Вт будет большим, то импульсный в десятки раз меньше. Из недостатков импульсных блоков питания — это наличие импульсных помех. Но и эти помехи удается сглаживать.

Поэтому, все блоки питания в компьютерах, ноутбуках, зарядных устройствах чаще всего сделаны на импульсных трансформаторах.

Еще импульсные трансформаторы питают лампы подсветки в мониторах, которые подсвечивают матрицу. Это кается TFT мониторов.

Питает радиолампы

Для радиоламп нужен большой спектр напряжений. Это и 12 В и 300 В и др.

Для этих целей и делают трансформаторы, которые понижают и повышают сетевое напряжение. Это делается за счет разных обмоток на одном сердечнике.

Электронно-лучевые трубки

Разновидностью ламп являются электронно-лучевые трубки (ЭЛТ).

Они используются в электронных микроскопах, где с помощью пучка электронов можно получить детальные изображения микроскопических поверхностей. Для них нужны высокие напряжения, порядка нескольких десятков тысяч киловольт. Это нужно для того, чтобы в вакуумной трубке можно было разогнать пучок электронов до больших скоростей.

Электрон в вакууме может повышать скорость своего передвижения за счет повышения напряжения.

И снова используется импульсный трансформатор. Он повышает напряжение за счет работы ШИМ (широтно импульсной модуляции). Такие трансформаторы называются строчными (или развертки).

Такое название не спроста. По сути кинескоп — это и есть электронно-лучевая трубка.
Поэтому, для работы телевизоров, где используется кинескоп, нужен строчный трансформатор.

Согласует сопротивления

В усилителях звука согласование источника и потребителя играет важную роль. Поэтому, есть согласующие трансформаторы, которые позволяют передать максимум мощности в нагрузку. Если бы не было такого трансформатора, то лаповые усилители, которые были рассчитаны на 100 Вт, выдавали бы менее 50 Вт в нагрузку. Например, выход усилителя 2 кОм, а трансформатор согласует и понижает напряжение. А на его катушке сопротивление всего несколько десятков Ом.

Для безопасности

Трансформатор создает гальваническую развязку между сетью и блоком питания. Это последний рубеж безопасности в блоке питания, если что=то пойдет не так. Будет время для срабатывания предохранителя.

Или же катушки и магнитопровод расплавятся, но потребителю не дадут сетевую нагрузку.
Он физически не связан с сетью 222 В. Связь есть только с помощью магнитного поля (взаимоиндукции). И если трансформатор рассчитан на 100 Вт, то он сможет выдать только 100 Вт.

Поэтому, потребитель будет защищен от опасных высоких токов.

Именно из-за этого бестрансформаторные блоки питания считаются опасными.

У них нет такой защиты, по сравнению с трансформаторными блоками питания.

Деталь оружия

В электрошокерах используются высокие напряжения.

И их помогает форматировать высоковольтный трансформатор. А еще он используется в некоторых схемах Гаусс пушки.

Итог

Трансформаторы много где используются. Их конструкция разная и для каждой задачи она по-своему уникальна.

Интересные факты про трансформаторы

Трансформатор — это самый эффективный преобразователь. Его КПД (коэффициент полезного действия) может доходить до 99% (силовые трансформаторы). А вот у ДВС (двигатель внутреннего сгорания), КПД обычно не выше 30%.

Самый эффективный, но в тоже время и самый сложный в изготовлении — это тороидальный трансформатор. Он эффективен благодаря расположению катушек и магнитопроводу. Это усложняет процесс изготовления, особенно в промышленных масштабах.

Источник: https://tyt-sxemi.ru/zachem-nuzhen-transformator/

Трансформатор в электрических цепях

Стандартный трансформатор является статическим электромагнитным устройством с двумя и более обмотками, индуктивно связанными между собой посредством магнитопровода. Его основная функция заключается в преобразовании одного значения напряжения в другое, с сохранением одной и той же частоты. Трансформатор в электрических цепях применяется в самых различных областях. Он используется для передачи электроэнергии, а также в электронных и радиотехнических схемах.

Что такое трансформатор

По своей сути, трансформатор является преобразователем электрического тока. Для изменения напряжения используется электромагнитная индукция.

Основные принципы работы данных устройств заключаются в следующем:

  • Электрический ток изменяется во времени и создает магнитное поле, подверженное аналогичным изменениям.
  • Измененный магнитный поток, проходящий через обмотку трансформатора, вызывает появление в ней электромагнитной индукции. Некоторые устройства с высокими или сверхвысокими частотами могут не иметь магнитопровода. В идеальном варианте не должно быть потерь электроэнергии, расходуемой на потоки рассеивания и нагрев обмоток.

Трансформаторы могут работать в различных режимах:

  • Холостой ход. В данном случае вторичная цепь устройства разомкнута и ток по ней не проходит. Компенсация напряжения источника питания происходит за счет компенсации электродвижущей силы индукции в первичной обмотке.
  • Режим нагрузки. Вторичная цепь находится в замкнутом состоянии. В ней появляется ток, под действием которого в магнитопроводе возникает магнитный поток. Он действует в противоположном направлении относительно магнитного потока, возникающего в первичной обмотке. Равновесие ЭДС индукции с источником питания оказывается нарушенным. В результате, ток в первичной обмотке будет увеличиваться, пока значение магнитного потока не выйдет на прежний уровень. Это основной рабочий режим для любого трансформатора.
  • В режиме короткого замыкания вторичная цепь замыкается накоротко. Данное состояние позволяет определить, насколько теряется полезная мощность трансформатора при нагреве проводов. Подача небольшого переменного напряжения осуществляется на первичную обмотку. Его величина должна быть одинаковой с номинальным током устройства.

Из чего состоит трансформатор

Основой каждого трансформатора является замкнутый сердечник, выполняющий функцию магнитопровода. Для его изготовления применяется электротехническая сталь в виде листов, толщиной 0,35 – 0,5 мм. На магнитопровод наматываются изолированные медные провода.

Участки сердечника с обмотками носят название стержней, а те, которые без обмоток, называются ярмами. Обмотка, на которую поступает электроэнергия, именуется первичной. Другая обмотка, из которой выходит преобразованный ток, называется вторичной.

Они обе разделены между собой путем электрической изоляции, кроме автоматических трансформаторов.

Заземление нейтрали трансформатора

Величины каждой обмотки определенным образом соотносятся между собой. Например, отношение напряжения между концами первичной и вторичной обмотки такое же, как и соотношение количества витков в этих обмотках.

В процессе работы трансформатора электрическая энергия, поступающая из сети в первичную обмотку, преобразуется в магнитное поле. Далее, попадая во вторичную обмотку, энергия магнитного поля вновь превращается в электроэнергию с такой же частотой, но с другим значением.

На практике таких показателей достичь невозможно, поскольку КПД устройства всегда меньше единицы, поскольку имеют место потери энергии при нагреве обмоток и стержней. Если трансформатору обеспечен нормальный режим работы, то в этом случае КПД может составить даже 0,98 – 0,99.

Виды трансформаторов

Современные трансформаторные устройства имеют множество разновидностей и применяются в самых различных областях.

Сетевые трансформаторы

До недавнего времени практически во всех электрических приборах устанавливались сетевые однофазные трансформаторы. С помощью этих устройств, обычное напряжение сети в 220 вольт снижалось до необходимого уровня в 5, 12, 24 и 48 В.

В сетевых трансформаторах практиковалась установка сразу нескольких вторичных обмоток. Такая конструкция обеспечивала питание разных частей схемы сразу от нескольких источников питания. Например, трансформатор накаливания обязательно присутствовал в схемах с радиолампами.

В современных приборах этого типа используются Ш-образные, тороидальные или стержневые сердечники. Их основой являются пластины, выполненные из электротехнической, стали. При тороидальной форме магнитопровода трансформаторы получаются более компактными, обмотка проходит по всей поверхности, не оставляя пустых участков ярма.

Автотрансформаторы

Автотрансформаторы также относятся к низкочастотным устройствам, в которых первичная и вторичная обмотка дополняет друг друга. Между ними существует не только магнитная, но и электрическая связь. Единственная обмотка оборудована сразу несколькими выводами, что позволяет получать разные значения напряжения. Данные устройства отличаются более низкой стоимостью, поскольку провода для обмоток нужно меньше, как и стали для сердечника. В итоге общая масса прибора также снижается.

Трансформатор тока нулевой последовательности

Лабораторные трансформаторы

Для выполнения специфических задач используются лабораторные трансформаторы. С его помощью выполняется плавная регулировка напряжения. Конструкция выполнена в виде тороидального трансформатора.

В единственной обмотке имеется неизолированная дорожка, позволяющая подключаться к любому витку. Для контакта с дорожкой используется скользящая угольная щетка, для управления которой предусмотрена специальная поворотная ручка.

Данные устройства чаще всего применяются в лабораторных условиях, чтобы выполнить наладку оборудования.

Маркировка трансформаторов

Очень многие пользователи не всегда обращают внимания на маркировку трансформаторов, а некоторые просто не умеют правильно ее расшифровывать. Основные конструкции маркируются как ТМ, ТМЗ, ТСЗ, ТСЗС, ТРДНС, ТМН, ТДН, ТДНС и так далее.

Буквенные обозначения соответствуют следующим характеристикам:

  • Т – трехфазное устройство.
  • Р – разделение обмотки низкого напряжения на две части.
  • С – сухой трансформатор.
  • М – наличие масляного охлаждения с естественной циркуляцией.
  • Ц – принудительная циркуляция воды и масла. Вода циркулирует по трубам, а масло течет между ними в виде ненаправленного потока.
  • МЦ – циркуляция воздуха – естественная, а масло циркулирует принудительно, ненаправленным потоком.
  • Д – движение масла принудительное, а воздуха – естественное.
  • ДЦ – принудительное движение воздуха и масла.
  • Н – регулировка напряжения осуществляется под нагрузкой.
  • С – если проставлена в конце маркировки, значит трансформатор используется для собственных нужд электростанции.
  • З – трансформатор без расширителя, герметичный, с азотной подушкой.

Трансформаторы с тремя обмотками маркируются как ТМТН, ТДТН, ТДЦТН, где на три обмотки указывает вторая буква Т. Наличие буквы А указывает на автотрансформатор, О – однофазное устройство, Г – грозоупорная конструкция.

Кроме того, в маркировке указывается класс напряжения, применяемый в работе, режим и условия функционирования, а также точная конструкция устройства. Номинальная мощность и класс напряжения проставляется после буквенной маркировки через дефис. Обозначение имеет вид дроби, где числитель является номинальной мощностью в киловольт-амперах, а знаменатель соответствует классу напряжения в киловольтах.

Применение трансформатора

Недостаточно только выработать электрическую энергию. Не меньшую сложность представляет ее передача на значительные расстояния и дальнейшее распределение среди потребителей. И здесь не обойтись без специальных аппаратов – трансформаторов, выполняющих повышение или понижение напряжения.

Каждый трансформатор в электрических цепях может применяться на открытом воздухе или внутри помещений. Эти устройства дали возможность передачи электроэнергии с минимальными потерями в проводах, за счет уменьшенной площади сечения.

Высокое напряжение, поступающее со станции, не может напрямую поставляться потребителям. Поэтому на входе производится установка понижающих трансформаторов. Они доводят ток до нужного значения, при котором нормально функционирует оборудование и бытовая техника.

Источник: https://electric-220.ru/news/transformator_v_ehlektricheskikh_cepjakh/2016-09-25-1070

Понижающие трансформаторы. Виды и работа. Особенности

Большинство электрических бытовых устройств работает от сети питания 220 В. Иногда необходимо понизить это напряжение до определенного значения, чтобы подключить низковольтные потребители нагрузки. Такими потребителями могут быть галогенные светильники, низковольтные нагреватели, светодиодные ленты и множество других.

Такое снижение напряжение могут выполнить понижающие трансформаторы, которые приобретают в магазине, или изготавливают самостоятельно. Такие трансформаторы популярны в электротехнике и радиоэлектронике, а также в бытовых условиях.

Особенности конструкции

Основной частью трансформатора выступает ферромагнитный сердечник, на котором расположены две обмотки, намотанные медным проводником. Эти обмотки разделяют на первичную и вторичную, в зависимости от принципа действия. На первичную обмотку подается сетевое напряжение, а с вторичной – снимается пониженное напряжение для потребителей нагрузки.

Обмотки связаны между собой переменным магнитным потоком, который наводится в ферромагнитном сердечнике. Между обмотками нет электрического контакта. Первичная обмотка имеет большее количество витков, чем вторичная. Поэтому напряжение на выходе понижено.

Обычно понижающие трансформаторы со всеми элементами находятся в корпусе. Однако не все модели его имеют. Это зависит от фирмы изготовителя, а также назначения понижающего трансформатора.

Принцип действия

Работу понижающего трансформатора можно описать следующим образом. Действие трансформатора основывается на принципе электромагнитной индукции. Напряжение, подключенное на первичную обмотку, образует в ней магнитное поле, которое пересекает витки вторичной обмотки. В ней образуется электродвижущая сила, под действием которой возникает напряжение, отличное от входного напряжения.

Разница в количестве витков первичной и вторичной обмоток определяет разницу между входным и выходным напряжением понижающего трансформатора. В процессе функционирования трансформатора возникают некоторые потери электроэнергии, которые неизбежны, и составляют около 3% мощности.

Чтобы вычислить точные величины параметров трансформатора, нужно сделать определенные расчеты его конструкции. Электродвижущая сила может возникать при подключении трансформатора только к переменному току. Поэтому большинство бытовых электрических устройств работает от сети переменного тока.

Понижающие трансформаторы входят в состав многих блоков питания, стабилизаторов и других подобных устройств. Некоторые модели трансформаторов могут содержать несколько выводов на вторичной обмотке для разных групп соединений. Такие виды приборов стали популярными, так как являются универсальными, и обладают многофункциональностью.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Какое напряжение для зарядки Nicd аккумуляторов

Понижающие трансформаторы имеют различные исполнения, в зависимости от конструкции и принципа действия:

  • Тороидальные. Такой вариант модели трансформатора (рисунок «а») также применяется для незначительных мощностей, имеет сердечник формы в виде тора. Он отличается от других моделей малым весом и габаритами. Применяется в радиоэлектронных устройствах. Его конструкция позволяет достичь более высокой плотности тока, так как обмотка хорошо охлаждается на всем сердечнике, показатели тока намагничивания самые низкие.
  • Стержневые. На рисунке «б» изображен стержневой вид трансформатора, в конструкции которого обмотки охватывают сердечники магнитопровода. Такие модели чаще всего выполняют для средней и большой мощности приборов. Их устройство довольно простое и дает возможность легче изолировать и ремонтировать обмотки. Их преимуществом является хорошее охлаждение, вследствие чего требуется меньше проводников для обмоток.
  • Броневые. В этом виде трансформатора (рисунок «в») магнитопровод охватывает обмотки в виде брони. Остальные параметры идентичны стержневому виду, за исключением того, что броневые трансформаторы в основном выполняют маломощными, так как они имеют меньший вес и цену в сравнении с предыдущим вариантом, из-за простой сборки и меньшего количества катушек.
  • Многообмоточные. Наиболее популярными являются двухобмоточные 1-фазные понижающие трансформаторы.

Для получения нескольких различных величин напряжений от одного трансформатора применяют несколько вторичных обмоток на сердечнике. Эти обмотки разные по числу витков и выдаваемому напряжению.

  • Трехфазные. Такая модель применяется для понижения напряжения трехфазной сети. Такие понижающие трансформаторы применяются не только в промышленности, но и для бытовых нужд.

Они могут быть изготовлены из 3-х однофазных трансформаторов на общем сердечнике. Магнитные потоки всех фаз в сумме равны нулю. Промышленные образцы проходят испытания по определенным параметрам. Результаты испытаний сравнивают с документацией.

Если нет соответствия, то трансформатор подлежит выбраковке. 3-фазный трансформатор имеет соединение обмоток по схеме треугольника или звезды. Схема звезды характерна общим узлом выводов всех фаз.

Соединение треугольником выполняется последовательной схемой фаз в кольцо.

  • Однофазные. Такие трансформаторы имеют подключение питания от однофазной сети, фаза и ноль поступают на одну первичную обмотку. Принцип их работы аналогичен всем остальным видам трансформаторов. Это наиболее популярный вид устройств.

Маркировка трансформаторов зависит от его свойств. Основными свойствами понижающих трансформаторов являются:

  • Мощность.
  • Напряжение выхода.
  • Частота.
  • Габаритные размеры.
  • Масса.

Частота тока для разных моделей трансформаторов будет одинаковой, в отличие от других перечисленных характеристик. Габаритные размеры и масса будут больше при повышении мощности модели. Максимальная величина мощности у промышленных образцов понижающих трансформаторов, так же как габаритные размеры и масса.

Напряжение на выходе вторичных обмоток может быть различным, и зависит от назначения прибора. Модели трансформаторов для бытовых нужд имеют малые габариты и вес. Их легко устанавливать и перевозить.

Обмотки трансформатора

Обмотки находятся на магнитопроводе прибора. Ближе к сердечнику располагают низковольтную обмотку, так как ее легче изолировать. Между обмотками укладывают изоляционные прокладки и другие диэлектрики, например электротехнический картон.

Первичная обмотка соединяется с сетью питания переменного напряжения. Вторичная обмотка выдает низкое напряжение и подключается к потребителям электроэнергии.  К одному трансформатору можно подключать сразу несколько бытовых устройств.

Для намотки катушек применяют изолированные провода, с изоляцией каждого слоя кабельной бумагой. Проводники бывают различных форм сечения:

  • Круглая.
  • Прямоугольная (шина).

По способу намотки обмотки делят:

  • Концентрические, на стержне.
  • Дисковые, намотанные чередованием.

Достоинства

  • Применение понижающих трансформаторов, как в промышленности, так и в домашних условиях можно объяснить необходимостью уменьшения рабочего напряжения до 12 вольт для создания безопасности человека.
  • Другой причиной применения низкого напряжения является нетребовательность трансформаторов к значению входного напряжения, так как они могут функционировать, например, при 110 В, при этом обеспечивая стабильное напряжение на выходе.
  • Компактные размеры.
  • Малая масса.
  • Удобство транспортировки и монтажа.
  • Отсутствие помех.
  • Плавная регулировка напряжения.
  • Незначительный нагрев.

Недостатки

  • Недолгий срок службы.
  • Незначительная мощность.
  • Высокая цена.

При выборе конкретного устройства, рекомендуется воспользоваться следующими критериями выбора:

  • Величина напряжения на входе. На корпусе устройства обычно есть маркировка входного напряжения 220, либо 380 вольт. Для бытовой сети подходит модель на 220 В.
  • Величина напряжения выхода. Зависит от назначения и применения устройства. Обычно это 12 или 36 вольт, о чем также должна быть маркировка.
  • Мощность устройства. Чтобы правильно подобрать стабилизатор по мощности, нужно сложить мощности всех планируемых к подключению потребителей, и добавить резервное значение 20%.

Эксплуатация и ремонт

Основным условием правильной и надежной эксплуатации понижающего трансформатора является специально оборудованное место для его монтажа и функционирования.

Понижающие трансформаторы необходимо содержать в чистоте, сухом виде, защищать от пыли и влаги. В домашних бытовых условиях для трансформатора используют специальный шкаф или металлический корпус. Заземление для понижающего трансформатора является обязательным условием.

Трансформатор требует периодического обслуживания и ухода, в зависимости от выполняемых им задач и условий эксплуатации.

Чаще всего обслуживание включает в себя следующие работы:

  • Наружный осмотр, очистка от пыли и грязи.
  • Осмотр деталей уплотнения, колец, прокладок, подтяжка клемм.
  • Проверка изоляции на пробой.

В трансформаторе могут появиться неисправности и повреждения обмоток в виде трещин секций катушек. При этом не требуется демонтировать трансформатор. На поврежденную изоляцию накладывают лакоткань.

При серьезных неисправностях, связанных с обрывом или коротким замыканием, осуществляют снятие трансформатора и его ремонт в электромастерской.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/ustrojstva/ponizhaiushchie-transformatory/

Трансформатор постоянного и переменного тока: устройство, принцип работы и схема подключения

В статье читатель узнает, что такое трансформатор тока, где они применяются. Мы постараемся дать краткую характеристику видам и типам устройства, объясним принцип действия. Также предлагаем ознакомиться с видеороликом в конце текста для лучшего понимания материала.

Без такого привычного устройства современный мир был бы невозможен в том виде, каком мы к нему привыкли. Его задача – помочь передавать энергию на большие расстояния. Тех, кто дочитает материал до конца, ждет приятный бонус: файл с книгой о трансформаторах тока Афанасьева А.А. По любым вопросам не стесняйтесь писать в комментариях, опытные эксперты будут рады вам помочь.

Опорные трансформаторы тока.

Что это за устройство

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.

Схематичный рисунок опорного трансформатора тока.

Это устройство, первичная обмотка которого последовательно включена в рабочую цепь, а вторичная служит для проведения измерений. Подобные устройства используются не только в лабораториях для оценки величин. Истинное место трансформаторов тока возле электростанций, где они помогают контролировать режимы, внося коррективы в процесс эксплуатации оборудования.

Достаточно часто трансформаторы используются при передаче электроэнергии на дальние расстояния. Непосредственно на электрогенерирующих предприятиях они позволяют существенно повысить напряжение, которое вырабатывается источником переменного тока.

Повышая напряжение до 1150 кВт, трансформаторы обеспечивают более экономную передачу электроэнергии: значительно снижаются потери электричества в проводах и появляется возможность уменьшить площадь сечения кабелей, используемых в линиях электропередач.

Тем, кому будет интересно почитать, материал в тему: малоизвестные факты о двигателях постоянного тока.

Область применения

Трансформаторы получили широкое распространение, как в промышленности, так и в быту. Одной из основных областей их промышленного применения является передача электроэнергии на дальние расстояния и ее перераспределение.

Не менее известны сварочные (электротермические) трансформаторы. Как видно из названия, данный тип устройств применяется в электросварке и для подачи питания на электротермические установки. Трансформаторы тока принято классифицировать по роду тока. Измеряемое напряжение различается по роду. Для проведения измерений в цепи постоянного тока используется нарезка сигнала на импульсы. Напрямую трансформация невозможна:

  • для переменного тока;
  • для постоянного тока.

Будет интересно➡  Как устроен силовой трансформатор и где его применяют?

По назначению: мы уже сказали, что часто трансформаторы тока применяются для измерений (к примеру, кВт ч). Называют системы, где требуется защитить персонал для повышения безопасности.

Также достаточно широкой областью применения трансформаторов является обеспечение электропитания различного оборудования. Трансформаторы делят в зависимости от назначения. Выносные измерительные трансформаторы тока используются для обеспечения работоспособности цепей учета электроэнергии защиты энергетических линий и силовых автотрансформаторов. В зависимости от выполняемых функций различают следующие виды:

  • измерительные — подающее ток на приборы измерения и контроля;
  • защитные — подключаемые к защитным цепям;
  • промежуточные — используется для повторного преобразования.

Они имеют различные размеры и эксплуатационные показатели. Могут размещаться в корпусах небольших приборов или являться отдельными, габаритными устройствами.

Принцип работы устройства

Принцип работы трансформатора основан на эффекте электромагнитной индукции. Классическая конструкция состоит из металлического магнитопровода и электрически не связанных обмоток, выполненных из изолированного провода. Та обмотка, на которую подается электроэнергия, называется первичной. Вторая — подсоединённая к устройствам, потребляющим ток, называется вторичной.

Соотношение между входным и выходным напряжением трансформатора прямо пропорционально отношению количества витков соответствующих обмоток. Эта величина называется коэффициентом трансформации: Ктр=W1/W2=U1/U2, где:

  • W1, W2 — количество витков первичной и вторичной обмоток соответственно;
  • U1, U2 — входное и выходное напряжения соответственно.

Обмотки могут быть расположены либо в виде отдельных катушек, либо одна поверх другой. У маломощных устройств обмотки выполняются из провода с хлопчатобумажной или эмалевой изоляцией.

Микротрансформатор имеет обмотки из алюминиевой фольги толщиной не более 20—30 мкм. В качестве изолирующего материала выступает оксидная пленка, полученная естественным окислением фольги. Подробнее принцип работы трансформатора тока рассмотрен в видеоролике:

Вкратце принцип работы и устройство трансформатора тока заключается в подаче питания от источника электричества. Наиболее актуальным является использование для снижения первичных показателей тока до величины, применяемой в измерительных и защитных цепях, сигнализации и управления.

Во вторичной обмотке отмечаются показатели тока 5 А или 1 А. Измерительные устройства подключаются к вторичной обмотке, а к первичной подключается цепь, в которой измеряют ток. Для расчета тока во второй обмотке используют показания в первичной обмотке и делят на коэффициент трансформации.

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.

Схема режима работы трансформатора тока.

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.

Будет интересно➡  Удивительные факты о понижающих трансформаторах

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.

Интересный материал для ознакомления: что такое трехфазный двигатель и как он работает.

Виды и типы трансформаторов

Трансформаторы — это достаточно широко распространенные устройства, поэтому существует множество их разновидностей. По конструктивному исполнению и назначению они делятся на несколько видов.

  1. Автотрансформаторы.
  2. Импульсные трансформаторы.
  3. Разделительный трансформатор.
  4. Пик-трансформатор.

Стоит выделить способ классификации трансформаторов по способу их охлаждения. Различают сухие устройства с естественным воздушным охлаждением в открытом, защищенном и герметичном исполнении корпуса и с принудительным воздушным охлаждением.

Сравнительные характеристики различных видов трансформаторов.

Устройства с жидкостным охлаждением могут использовать различные типы теплообменной жидкости. Чаще всего это масло, однако встречаются модели, где в качестве теплообменного вещества используется вода или жидкий диэлектрик.

Кроме того, производят трансформаторы с комбинированным охлаждением жидкостно-воздушным. При этом каждый из способов охлаждения может быть как естественным, так и с принудительной циркуляцией. Трансформаторы тока имеют три основных вида. Наиболее применяемые из них:

  1. Сухие.
  2. Тороидальные.
  3. Высоковольтные (масляные, газовые).

Тороидальные исполнения трансформаторов устанавливают на шины или кабели. Поэтому первичная обмотка для них не нужна, в отличие от обычных трансформаторов напряжения и тока. Первичный ток протекает по шине, которая проходит в центре трансформатора. Он дает возможность вторичной обмотке фиксировать показатели тока.

Такие трансформаторы тока редко используются для замера параметров тока, так как их надежность и точность измерений оставляет желать лучшего. Они чаще используются для дополнительной защиты от короткого замыкания.

Характеристики трансформаторов

К основным техническим характеристиками трансформаторов можно отнести:

  • уровень напряжения: высоковольтный, низковольтный, высоко потенциальный;
  • способ преобразования: повышающий, понижающий;
  • количество фаз: одно- или трехфазный;
  • число обмоток: двух- и многообмоточный;
  • форму магнитопровода: стержневой, тороидальный, броневой.

Один из основных параметров — это номинальная мощность устройства, выраженная в вольт-амперах. Точные граничные показатели могут несколько различаться в зависимости от количества фаз и других характеристик. Однако, как правило, маломощными считаются устройства, преобразовывающие до нескольких десятков вольт-ампер.

Приборами средней мощности считаются устройства от нескольких десятков до нескольких сотен, а трансформаторы большой мощности работают с показателями от нескольких сотен до нескольких тысяч вольт-ампер.

Рабочая частота – различают устройства с пониженной частотой (менее стандартной 50 Гц), промышленной частоты – ровно 50 Гц, повышенной промышленной частоты (от 400 до 2000 Гц) и повышенной частоты (до 1000 Гц).

Принцип работы трансформатора тока.

Параметры трансформаторов тока

При выборе для работы в тандеме с трёхфазным счётчиком первым делом обращают внимание на коэффициент трансформации. Ряд значений стандартизирован, и нужно выбирать приборы, способные работать в паре. Выше говорилось, что в иных случаях коэффициент трансформации возможно менять, и нужно этим пользоваться.

Будет интересно➡  Что такое трансформатор?

Помимо рабочего напряжения роль играет ток в первичной обмотке (исследуемой сети). Понятно, что с ростом увеличивается нагрев, и однажды токонесущая часть может сгореть. Это требование не столь актуально для трансформаторов без первичной обмотки. Номинальный вторичный ток обычно равен 1 либо 5 А, что служит критерием для согласования с сопрягаемыми устройствами.

Полагается обращать внимание на сопротивление нагрузки в цепи измерения. Вряд ли найдётся счётчик, выбивающийся из общего ряда, но нужно контролировать момент. В противном случае не гарантируется точность показаний. Коэффициент нагрузки обычно не ниже 0,8.

Это уже касается измерительных приборов, с индуктивностями в составе. ГОСТ нормирует значение в вольт-амперах. Для получения сопротивления в омах требуется поделить цифру на квадрат тока вторичной обмотки.

Источник: https://ElectroInfo.net/transformatory/chto-nuzhno-znat-o-transformatorah-toka.html

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Электрогенератор
Как записывается закон Ома

Закрыть