Электрическая схема однофазного трансформатора

Принцип действия и устройство однофазного трансформатора

Работа однофазного трансформатора вхолостую

Трансформаторами в электротехнике называют такие электротехнические устройства, в которых электрическая энергия переменного тока от одной неподвижной катушки из проводника передается другой неподвижной же катушке из проводника, не связанной с первой электрически.

Звеном, передающим энергию от одной катушки другой, является магнитный поток, сцепляющийся с обеими катушками и непрерывно меняющийся по величине и по направлению.

На рис. 1а изображен простейший трансформатор, состоящий из двух катушек / и //, расположенных коаксиально одна над другой. К катушке / подводится переменный ток от генератора переменного тока Г. Эта катушка называется первичной катушкой или первичной обмоткой. С катушкою //, называемой вторичной катушкой или вторичной обмоткой, соединяется цепь приемниками электрической энергии.

Принцип действия трансформатора

Действие трансформатора заключается в следующем. При прохождении тока в первичной катушке / ею создается магнитное поле, силовые линии которого пронизывают не только создавшую их катушку, но частично и вторичную катушку //. Примерная картина распределения силовых линий, создаваемых первичною катушкою, изображена на рис. 1б.

Как видно из рисунка, все силовые линии замыкаются вокруг проводников катушки /, но часть их на рис. 1б силовые линии 1, 2, 3, 4 замыкаются также вокруг проводников катушки //. Таким образом катушка // является магнитно связанной с катушкою / при посредстве магнитных силовых линий.

Степень магнитной связи катушек / и //, при коаксиальном расположении их, зависит от расстояния между ними: чем дальше катушки друг от друга, тем меньше магнитная связь между ними, ибо тем меньше силовых линий катушки / сцепляется с катушкою //.

Так как через катушку / проходит, как мы предполагаем, однофазный переменный ток, т. е. ток, меняющийся во времени по какому-то закону, например по закону синуса, то и магнитное поле, им создаваемое, также будет меняться во времени по тому же закону.

Например, когда ток в катушке / проходит через наибольшее значение, то и магнитный поток, им создаваемый, также проходит через наибольшее значение; когда ток в катушке / проходит через нуль, меняя свое направление, то и магнитный поток проходит через нуль, также меняя свое направление.

В результате изменения тока в катушке / обе катушки / и // пронизываются магнитным потоком, непрерывно меняющим свою величину и свое направление. Согласно основному закону электромагнитной индукции при всяком изменении пронизывающего катушку магнитного потока в катушке индуктируется переменная электродвижущая сила. В нашем случае в катушке / индуктируется электродвижущая сила самоиндукции, а в катушке // индуктируется электродвижущая сила взаимоиндукции.

Если концы катушки // соединить с цепью приемников электрической энергии (см. рис. 1а), то в этой цепи появится ток; следовательно приемники получат электрическую энергию. В то же время к катушке / от генератора направится энергия, почти равная энергии, отдаваемой в цепь катушкой //. Таким образом электрическая энергия от одной катушки будет передаваться в цепь второй катушки, совершенно не связанной с первой катушкой гальванически (металлически). Средством передачи энергии в этом случае является только переменный магнитный поток.

Изображенный на рис. 1а трансформатор весьма несовершенен, ибо между первичной катушкой / и вторичной катушкой // магнитная связь невелика.

Магнитная связь двух обмоток, вообще говоря, оценивается отношением магнитного потока, сцепляющегося с обеими обмотками, к потоку, создаваемому одной катушкой.

Из рис. 1б видно, что только часть силовых линий катушки / замыкается вокруг катушки //. Другая часть силовых линий (на рис. 1б — линии 6, 7, 8) замыкается только вокруг катушки /. Эти силовые линии в передаче электрической энергии от первой катушки ко второй совершенно не участвуют, они образуют так называемое поле рассеяния.

Для того чтобы увеличить магнитную связь между первичной и вторичной обмотками и одновременно уменьшить магнитное сопротивление для прохождения магнитного потока, обмотки технических трансформаторов располагают на совершенно замкнутых железных сердечниках.

Первым примером выполнения трансформаторов может служить схематически изображенный на рис. 2 однофазный трансформатор так называемого стержневого типа. У него первичные и вторичные катушки c1 и с2 расположены на железных стержнях а — а, соединенных с торцов железными же накладками b — b, называемыми ярмами. Таким образом два стержня а, а и два ярма b, b образуют замкнутое железное кольцо, в котором и проходит магнитный поток, сцепляющийся с первичной и вторичной обмотками. Это железное кольцо называется сердечником трансформатора.

Вторым примером выполнения трансформаторов может служить схематически изображенный на рис. 3 однофазный трансформатор так называемого броневого типа. У этого трансформатора первичные и вторичные обмотки с, состоящие каждая из ряда плоских катушек, расположены на сердечнике образуемом двумя стержнями двух железных колец а и б. Кольца а и б, окружая обмотки, покрывают их почти целиком как бы бронею, поэтому описываемый трансформатор и называется броневым. Магнитный поток, проходящий внутри обмоток с, разбивается на две равные части, замыкающиеся каждое в своем железном кольце.

Применением железных замкнутых магнитных цепей у трансформаторов добиваются значительного снижения потока рассеяния. У таких трансформаторов потоки, сцепляющиеся с первичною и вторичною обмотками, почти равны друг другу. Предполагая, что первичная и вторичная обмотки пронизываются одним и тем же магнитным потоком, мы можем на основании общего закола индукции для мгновенных значений электродвижущих сил обмоток написать выражения:

В этих выражениях w 1 и w 2 — числа витков первичной и вторичной обмоток, a dФt — величина изменения пронизывающего катушки магнитного потока за элемент времени dt, следовательно есть скорость изменения магнитного потока. Из последних выражений можно получить следующее отношение:

т. е. индиктируемые в первичной, и вторичной катушках / и // мгновенные электродвижущие силы относятся друг к другу так же, как числа витков катушек. Последнее заключение справедливо не только по отношению к мгновенным значениям электродвижущих сил, но и к их наибольшим и действующим значениям.

Электродвижущая сила, индуктируемая в первичной, катушке, будучи электродвижущей силой самоиндукции, почти целиком уравновешивает приложенное к той же катушке напряжение . Если через E 1 и U1 обозначить действующие значения электродвижущей силы первичной катушки и приложенного к ней напряжения, то можно написать:

Электродвижущая сила, индуктируемая во вторичной катушке, равна в рассматриваемом случае напряжению на концах этой катушки.

Если, аналогично предыдущему, через E2 и U 2 обозначить действующие значения электродвижущей силы вторичной катушки и напряжения на ее концах, то можно написать:

Следовательно, приложив к одной катушке трансформатора некоторое напряжение, можно на концах другой катушки получить любое напряжение, стоит только взять подходящее отношение между числами витков этих катушек. В этом и заключается основное свойство трансформатора.

Отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации трансформатора . Коэффициент трансформации мы будем обозначать k т.

Следовательно можно написать:

Трансформатор, у которого коэффициент трансформации меньше единицы, называется повышающим трансформатором , ибо у него напряжение вторичной обмотки, или так называемое вторичное напряжение, больше напряжения первичной обмотки, или так называемого первичного напряжения. Трансформатор, у которого коэффициент трансформации больше единицы, называется понижающим трансформатором , ибо у него вторичное напряжение меньше первичного.

Работа однофазного трансформатора под нагрузкою

При холостой работе трансформатора магнитный поток создается током первичной обмотки или, вернее, магнитодвижущей силой первичной обмотки. Так как магнитная цепь трансформатора выполняется из железа и потому имеет небольшое магнитное сопротивление, а число витков первичной обмотки берется обычно большим, то ток холостой работы трансформатора невелик, он составляет 5—10% нормального.

Если замкнуть вторичную обмотку на какое-либо сопротивление, то с появлением тока во вторичной обмотке появится и магнитодвижущая сила этой обмотки.

Согласно закону Ленца магнитодвижущая сила вторичной обмотки действует против магнитодвижущей силы первичной обмотки

Казалось бы, что магнитный поток в этом случае должен уменьшаться, но если к первичной обмотке подведено постоянное по величине напряжение, то уменьшения магнитного потока почти не произойдет.

В самом деле, электродвижущая сила, индуктируемая в первичной обмотке, при нагрузке трансформатора почти равна приложенному напряжению. Эта электродвижущая сила пропорциональна магнитному потоку. Следовательно, если первичное напряжение постоянно по величине, то и электродвижущая сила при нагрузке должна остаться почти той же, какой она была при холостой работе трансформатора. Это обстоятельство имеет следствием почти полное постоянство магнитного потока при любой нагрузке.

Итак, при постоянном по величине первичном напряжении магнитный поток трансформатора почти не меняется с изменением нагрузки и может быть принят равным магнитному потоку при холостой работе.

Магнитный поток трансформатора может сохранить свою величину при нагрузке лишь потому, что с появлением тока во вторичной обмотке увеличивается и ток в первичной обмотке и при том настолько, что разность магнитодвижущих сил или ампервитков первичной и вторичной обмоток остается почти равной магнитодвижущей силе или ампервиткам при холостой работе. Таким образом появление во вторичной обмотке размагничивающей магнитодвижущей силы или ампервитков сопровождается автоматическим увеличением магнитодвижущей силы первичной обмотки.

Так как для создания магнитного потока трансформатора требуется, как было указано выше, небольшая магнитодвижущая сила, то можно сказать, что увеличение вторичной магнитодвижущей силы сопровождается почти таким же по величине увеличением первичной магнитодвижущей силы.

Следовательно, можно написать:

Из этого равенства получается вторая основная характеристика трансформатора, а именно, отношение:

где k т — коэффициент трансформации.

Таким образом, отношение токов первичной и вторичной обмоток трансформатора равно единице, деленной на его коэффициент трансформации.

Если перемножить левые части отношений между собой и правые части между собой, то получим

Последнее равенство дает третью характеристику трансформатора, которую можно выразить словами так: отдаваемая вторичной обмоткой трансформатора мощность в вольт-амперах, почти равна мощности, подводимой к первичной обмотке также в вольт-амперах.

Если пренебречь потерями энергии в меди обмоток и в железе сердечника трансформатора, то можно сказать, что вся мощность, подводимая к первичной обмотке трансформатора от источника энергии, передается вторичной обмотке его, причем передатчиком служит магнитный поток.

ТРАНСФОРМАТОРЫ

В этой статье мы поговорим о трансформаторах, устройствах способных повышать или понижать напряжение при переменном токе. Существуют различные по конструкции и предназначению трансформаторы. Например есть как однофазные, так и трехфазные. На фото изображен однофазный трансформатор:

Трансформатор напряжения соответственно будет называться повышающим, если на выходе со вторичной обмотки напряжение выше, чем в первичной, и понижающим, если, напряжение во вторичной обмотке ниже, чем в первичной. На рисунке ниже изображена схема работы трансформатора:

Принципиальная схема трансформатора

Красным (на рисунке ниже) обозначена первичная обмотка, синим вторичная, также изображен сердечник трансформатора, собранный из пластин специальной электротехнической стали. Буквами U1 обозначено напряжение первичной обмотки. Буквами I1 обозначен ток первичной обмотки. U2 обозначено напряжение на вторичной обмотке, I2 ток во вторичной. В трансформаторе две или более обмоток индуктивно связаны. Также трансформаторы могут использоваться для гальванической развязки цепей.

Принцип работы трансформатора

Принцип действия трансформатора

Коэффициент трансформации — формула

Если коэффициент трансформации меньше единицы, то трансформатор повышающий, если больше единицы, понижающий. Разберем на небольшом примере: w1 количество витков первичной обмотки равно условно равно 300, w2 количество витков вторичной обмотки равно 20. Делим 300 на 20, получаем 15. Число больше единицы, значит трансформатор понижающий. Допустим, мы мотали трансформатор с 220 вольт, на более низкое напряжение, и нам теперь нужно посчитать, какое будет напряжение на вторичной обмотке. Подставляем цифры: U2=U1кт = 22015 = 14.66 вольт. Напряжение на выходе с вторичной обмотки будет равно 14.66 вольт.

Трансформаторы на схемах

Обозначается на принципиальных схемах трансформатор так:

Обозначение трансформатора на схемах

На следующем рисунке изображен трансформатор с несколькими вторичными обмотками:

Трансформатор с двумя вторичными обмотками

Цифрой «1» обозначена первичная обмотка (слева), цифрами 2 и 3 обозначены вторичные обмотки (справа).

Сварочные трансформаторы

Существуют специальные сварочные трансформаторы.

Сварочный трансформатор предназначен для сварки электрической дугой, он работает как понижающий трансформатор, снижая напряжение на вторичной обмотке, до необходимой величины для сварки. Напряжение вторичной обмотки бывает не более 80 Вольт. Сварочные трансформаторы рассчитаны на кратковременные замыкания выхода вторичной обмотки, при этом образуется электрическая дуга, и трансформатор при этом не выходит из строя, в отличие от силового трансформатора.

Силовые трансформаторы

Фото высоковольтный трансформатор

Трансформаторы с 6-10 киловольт на 380 вольт расположены вблизи потребителей. Такие трансформаторы стоят на трансформаторных подстанциях расположенных во многих дворах. Они поменьше размерами, но вместе с ВН (выключателями нагрузки) которые ставятся перед трансформатором и вводными автоматами и фидерами могут занимать двух этажное здание.

Трансформатор 6 киловольт

У трехфазных трансформаторов обмотки соединяются не так, как у однофазных трансформаторов. Они могут соединяться в звезду, треугольник и звезду с выведенной нейтралью. На следующем рисунке приведена как пример одна из схем соединения обмоток высокого напряжении и низкого напряжения трехфазного трансформатора:

Пример соединения обмоток силового трансформатора

Трансформаторы существуют не только напряжения, но и тока. Такие трансформаторы применяют для безопасного измерения тока при высоком напряжении. Обозначаются на схемах трансформаторы тока следующим образом:

Изображение на схемах трансформатор тока

На фото далее изображены именно такие трансформаторы тока:

Трансформатор тока — фото

Существуют также, так называемые, автотрансформаторы. В этих трансформаторах обмотки имеют не только магнитную связь, но и электрическую. Так обозначается на схемах лабораторный автотрансформатор (ЛАТР):

Лабораторный автотрансформатор — изображение на схеме

Используется ЛАТР таким образом, что включая в работу часть обмотки, с помощью регулятора, можно получить различные напряжения на выходе. Фотографию лабораторного автотрансформатора можно видеть ниже:

В электротехнике существуют схемы безопасного включения ЛАТРа с гальванической развязкой с помощью трансформатора:

Безопасный ЛАТР изображение на схеме

Для согласования сопротивления разных частей схемы служит согласующий трансформатор. Также находят применение измерительные трансформаторы для измерения очень больших или очень маленьких величин напряжения и тока.

Тороидальные трансформаторы

Промышленность изготавливает и так называемые тороидальные трансформаторы. Один из таких изображен на фото:

Фотография — тороидальный трансформатор

Преимущества таких трансформаторов по сравнению с трансформаторами обычного исполнения заключаются в более высоком КПД, меньше звуковой дребезг железа при работе, низкие значения полей рассеяния и меньший размер и вес.

Сердечники трансформаторов, в зависимости от конструкции могут быть различными, они набираются из пластин магнитомягкого материала, на рисунке ниже приведены примеры сердечников:

Сердечники трансформаторов — рисунок

Вот в кратце и вся основная информация о трансформаторах в радиоэлектронике, более подробно разные частные случаи можно рассмотреть на форуме. Автор AKV.

Обсудить статью ТРАНСФОРМАТОРЫ

Зарядное устройство для мобильника из фотоэлементов.

СХЕМА ИК ДАТЧИКА

Схема и конструкция несложного инфракрасного датчика на микроконтроллере PIC16F628A.

LED DRL — СВЕТОДИОДНЫЕ ФАРЫ ДНЕВНОГО СВЕТА

Описание новых экономичных светодиодных фар дневного света — LED DRL.

СОЗДАНИЕ ВЕЧНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Теория создания вечного двигателя — правда или вымысел?

Назначение и принцип действия однофазного трансформатора

В энергетической сфере деятельности используются первичные источники высокого переменного напряжения, однако в быту или на предприятиях необходимо значительно его снизить. Для этой цели применяются трансформаторы. Для полного понимания и грамотного применения напряжения в быту необходимо знать принцип действия однофазного трансформатора.

Общие сведения о трансформаторах

Значительно легче передавать переменный ток на большие расстояния, так как достигаются минимальные потери, связанные с величинами напряжения (U) и тока (I). Кроме того, для передачи не переменного, а постоянного I необходимо применять сложную электронику, которая основана на усилении параметров электричества. Основной частью этой технологии являются мощные транзисторы, которые требуют специального охлаждения, и главным критерием является цена. Использование трансформаторов, которые работают только от переменной величины тока, является оптимальным решением.

Назначение и устройство

Трансформатор (Т) — это специализированное электрическое устройство, которое работает только от переменного I и используется для преобразования значений входного U и I в необходимые значения этих величин, предусмотренных потребителем.

Т является довольно примитивным устройством, однако в его конструкции есть некоторые особенности. Для понимания принципа действия однофазного трансформатора следует изучить его назначение и устройство. Устроен однофазный трансформатор следующим образом — он состоит из магнитопровода и обмоток.

Магнитопровод, или сердечник трансформатора, выполнен из ферромагнитного материала.

Ферромагнетики — это вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью. Это обусловлено тем, что атомы вещества обладают очень важными свойствами: постоянные спиновые и орбитальные моменты. Свойства ферромагнетиков зависят от температуры и действия магнитного поля. Для изготовления магнитопровода Т используются такие материалы: электротехническая сталь или пермаллой.

Электротехническая сталь содержит в своем составе большую массовую долю кремния (Si), которая под действием высокой температуры соединяется с атомами углерода ©. Этот тип используется во всех типах Т, независимо от мощности.

Пермаллой является сплавом, состоящим из никеля (Ni) и железа (Fe), и применяется только в маломощных трансформаторах.

Тип Т представляет собой катушки, состоящие из каркаса и провода, покрытого изоляционным материалом. Этот провод намотан на основание катушек, и количество витков зависит от параметров Т. Количество катушек может быть 2 и более, оно зависит от конструктивной особенности электрического устройства и определяется сферой применения.

Принцип действия

Принцип работы однофазного трансформатора довольно простой и основан на генерации электродвижущей силы (ЭДС) в обмотках проводника, который находится в движущемся магнитном поле и сгенерирован при помощи переменного I. При прохождении электричества по обмоткам первичной катушки создается магнитный поток (Ф), который пронизывает и вторичную катушку. Силовые линии Ф благодаря замкнутой конструкции магнитопровода имеют замкнутую структуру. Для получения оптимальной мощности Т необходимо располагать катушки обмоток на близком расстоянии относительно друг друга.

Исходя из закона электромагнитной индукции происходит изменение Ф и индуцируется в первичной обмотке ЭДС. Эта величина называется ЭДС самоиндукции, а во вторичной — ЭДС взаимоиндукции.

При подключении потребителя к первичной обмотке Т в цепи появится электрическая энергия, которая передается из первичной обмотки через магнитопровод (катушки не связаны гальванически). В этом случае средством передачи электроэнергии служит только Ф. Трансформаторы по конструктивной особенности бывают различные. По достижению максимальной магнитной связи (МС) Т делятся на следующие типы:

При слабой МС происходит значительная потеря энергии и Т такого типа практически не применяются. Основной особенностью таких Т являются незамкнутые сердечники.

Уровень средней МС достигается только при полностью замкнутом магнитопроводе. Одним из примеров такого Т является стержневой тип, у которого обмотки расположены на железных стержнях и соединены между собой накладками или ярмами. В результате такой конструкции получается полностью замкнутый сердечник.

Примером сильной МС является Т броневого типа, обмотки которого располагаются на одной или нескольких катушках. Эти обмотки расположены очень близко, благодаря чему и обеспечивается минимальная потеря электрической энергии. Магнитопровод полностью покрывает катушки, создавая более сильный Ф, который разбивается на 2 части. У трансформаторов такого типа потоки сцепления между обмотками практически равны.

Режимы работы

Т, как и любой вторичный источник питания, имеет определенные режимы работы. Режимы отличаются потреблением I. Существует 2 режима: холостого хода и нагрузки. При холостом ходе Т потребляет минимальное количество I, которое используется только на намагничивание и потери в обмотках на нагревание. Кроме того, происходит рассеивание магнитного поля. Ф создается I магнитодвижущей силы, которую генерирует первичная обмотка. В этом случае I холостого хода составляет 3−10% от номинального показателя (Iн).

При нагрузке во II обмотке появляется I, а значит — и магнитодвижущая сила (МДС). По закону Ленца: МДС II обмотки действует против МДС первичной обмотки. При этом ЭДС в первичной обмотке во время нагрузки Т равна U и прямо пропорциональна Ф. В этом случае получение k можно записать в виде: I1 / I2 = w2/w1 = 1/k.

Исходя из формул для расчета k, можно получить еще одно соотношение Т: e1 * I1 = e2 * I2 = 1.

Это соотношение показывает, что мощность, потребляемая первичной обмоткой, равна мощности, которую потребляет II обмотка при нагрузке. Мощность Т измеряется в вольт-амперах (ВА).

Основные параметры

Кроме того, следует отметить, что любой Т обладает некоторыми параметрами, которые и отличаются от других трансформаторов. К тому же, если понимать эти зависимости, то можно рассчитать и изготовить Т своими руками.

Связь между ЭДС, возникающей в обмотках Т, зависит от количества витков каждой из них. Исходя из того, что I и II обмотки пронизываются одним и тем же Ф, возможно вычислить следующее соотношение на основании общего закона индукции для мгновенных значений ЭДС:

Для первичной с количеством витков w1: e1 = — w1 * dФ/dt * E-8.
Для вторичной с количеством витков w2: e2 = — w2 * dФ/dt * E-8.

Соотношение dФ/dt показывает величину изменения Ф за единицу времени. Значение потока Ф зависит от закона изменения переменного тока за единицу времени. Исходя из этих выражений получается следующая формула соотношения числа витков к ЭДС каждой обмотки:

Следовательно, можно сделать следующий вывод: индуцируемые в обмотках значения ЭДС также относятся к друг другу, как и число витков обмоток. Для более простой записи можно сопоставить значения e и U: e = U. Из этого следует, что e1 = U1 e2 = U2 и возможно получить еще одну величину, называемую коэффициентом трансформации (к): e1/e2 = U1/U2 = w1 / w2 = k. По коэффициенту трансформации Т делятся на понижающие и повышающие.

Понижающим является Т, k которого меньше 1, и, соответственно, если к > 1, то он является повышающим. При отсутствии потерь в проводах обмоток и рассеивания Ф (они незначительны и ими можно пренебречь) вычислить основной параметр Т (k) достаточно просто. Для этого необходимо воспользоваться следующим простым алгоритмом нахождения k: найти соотношения U обмоток (если обмоток более 2, то соотношение нужно искать для всех обмоток).

Однако расчет k является только первым шагом для дальнейшего расчета или выявления неисправности на наличие короткозамкнутых витков.

Чтобы определить значения U, необходимо использовать 2 вольтметра, точность которых составляет около 0,2−0,5. Кроме того, для определения k существуют такие способы:

По паспорту.
Практически.
Использование определенного моста (мост Шеринга).
Прибором, предназначенным для этой цели (УИКТ).

Таким образом, принцип работы однофазного трансформатора основан на простом законе физики, а именно: если проводник с n количеством витков поместить в магнитное поле, причем это поле должно постоянно меняться с течением времени, то в витках будет генерироваться ЭДС. В этом случае справедливо и обратное утверждение: если в постоянное магнитное поле поместить проводник и осуществлять им движения, то в его обмотках начинает появляться ЭДС.

Однофазный трансформатор

Электрическая энергия, выработанная генераторами электростанций, передается потребителям, находящимся в большинстве случаев на большом расстоянии от станций. Для удешевления стоимости электропередачи и уменьшения потерь энергии в ней приходится повышать напряжение электропередачи до cотен киловольт. При распре делении энергии между потребителями необходимо понизить напряжение до десятков и сотен вольт. Все это вызывает необходимость многократного изменения (трансформирования) напряжения, которое осуществляется трансформаторам

Трансформатором называется статический аппарат, имеющий две (иногда более) обмотки, связанные переменным магнитным полем, служащий для трансформации переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, при неизменной частоте.

Число трансформаций от станции до потребителя обычно велико, и поэтому на 1 квт мощности генераторов, установленных на станции, приходится 4— 5 ква установленной мощности трансформаторов. Суммарные потери электроэнергии в трансформаторах составляют значительную долю потерь всей энергосистемы. Поэтому необходимо, чтобы трансформатор имел очень высокий к.п.д. В современных мощных трансформаторах к.п.д доходит до 0,995 при номинальной мощности.

Изобретателем трансформатора был выдающийся конструктор и ученый П. Н. Яблочков (1847 -1894).

Рис. 9-1. Однофазный трансформатор.

1 — магнитопровод; 2 — обмотка высшего напряжения; 3 — обмотка низшего напряжения; 4—путь полезного потока; 5 — путь потоков рассеяния первичной обмотки; 6 — путь потоков рассеяния вторичной обмотки.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Работа трансформатора основана на использовании явления взаимоиндукции. Трансформатор (рис. 9-1) имеет обычно две магнитно-связанные обмотки 2—2 и 3—3 с разными числами витков, помещенные для усиления магнитной связи на стальном, замкнутом магнитопроводе — сердечнике 1. Сердечник для уменьшения потерь энергии от вихревых токов набирается из стальных листов толщиной 0,5—0,35 мм, а при повышенной частоте тока — из более тонких листов (0,2—0 ,1 мм). Листы, перед сборкой, покрываются с двух сторон лаком для изоляции друг от друга. Трансформаторная сталь содержит 4—5% кремния, при этом сильно уменьшаются потери от гистерезиса и вихревых токов.

Те части сердечника, на которых располагаются обмотки, называются стержнями, а части, замыкающие их, называются ярмом. Внутреннее пространство между стержнем и ярмом служит для размещения обмоток и называется окном.

Сборка сердечника производится «внахлестку». На рис. 9-2 показаны два слоя листов, которые накладываются друг на друга при сборке сердечника трансформатора. При такой сборке достигается минимальный воздушный зазор в стыках.

Рис. 9 -2. Расположение листов стали однофазного трансформатора при сборке.

Листы предварительное стягиваются изолированными болтами в пакеты сначала так, чтобы на стержни можно было надеть изготовленные обмотки (рис.9-3), а затем окончательно, чтобы после установки обмоток, замкнуть магнитопровод. Сечение стержней, получаемое при этом, показано на рис. 9-4 — квадратное при малой мощности, или крестовидное, приближающееся к кругу, при средней и большой мощности трансформаторов.

Обмотки трансформатора представляют собой катушки разных конструкций. Различают обмотку низшего напряжения (НН), рассчитанную на низшее напря жение трансформатора, которая помещается ближе к стерж ню, и обмотку высшего напряжения (ВН), рассчитанную на высшее напряжение и помещаемую по верх обмотки (НН), концентрически с ней.

На рис. 9-1 обмотки ВН и НН показаны сдвинутыми друг относительно друга для упрощений рисунка. В однофазных трансформаторах (рис. 9-1) каждая обмотка делится пополам и помещается на двух стержнях. Обе половины обмотки НН и обмотки ВН соединяются так, чтобы э. д. с. половин обмоток складывались.

Рис. 9-3. Сборка сердечника трансформатора.

1 — стержень магнитопровода; 2 — обмотки.

Начала и концы обмоток трансформаторов обозначаются буквами латинского алфавита. Начала обмоток обозначают Л, В, С и a, b, с, а концы — X, Y, Z и х, y, z. Заглавные буквы приняты для обмотки высшего напряжения, а строчные — для обмотки низшего напряжения (рис. 9-1).

Та обмотка, к которой энергия подводится, называется первичной, а та, от которой энергия отдается потребителю, называется вторичной. Энергия передается с первичной обмотки на вторичную при помощи магнитного потока, связывающего обмотки. Если напряжение вторичной обмотки меньше, чем первичной, то трансформатор называется понижающим; в обратном случае он будет повышающим.

Рис. 9-4. Сечение сердечников трансформаторов.

Таким образом, трансформатор, показанный на рис. 9 —1 — понижающий. Однако если к обмотке ах подать энергию при номинальном для этой обмотки напряжении, а к обмотке АХ подключить потребителя, то трансформатор будет повышающим.

Трансформатор с сердечником рассмотренного выше типа называется стержневым. Однако существуют трансформаторы броневого типа (рис. 9-5), у которых магнитопровод разветвлен и охватывает обмотки как бы броней.

P ис 9.5 Броневой трансформатор.

Обмотки ВН и НН таких трансформаторов изготовляются в виде плоских катушек, размещающихся на одном и том же стержне. Трансформаторы броневого типа применяются, например, в радиотехнических устройствах.

Номинальной мощностью трансформатора называется мощность его вторичной обмотки, обозначенная на щитке трансформатора и выраженная в вольт-амперах или киловольт-амперах.

Статья на тему Однофазный трансформатор

Что такое однофазный трансформатор

Однофазный трансформатор – статическое устройство, имеющее две обмотки связанные индуктивно на магнитопроводе, предназначенное для преобразования одной величины напряжение и тока в другое в одной фазе.

Конструкция однофазного трансформатора

Любой однофазный трансформатор может работать только в цепях переменного тока. За счёт него полученное электрическое напряжение изменяется в нужную величину. Ток, полученный таким способом, повышается, в результате того, что мощность отдаётся в действительности без потерь. С этого и следует вывод, что основное использование такого прибора – вывести необходимое для решения задачи напряжение, после чего можно применять в определённых целях.

Вникнуть в работу прибора поможет детальный разбор конструкции трансформатора. Состоит он из следующих основных частей:

Сердечник, состоящий из материалов с ферромагнитными свойствами;
Две катушки, вторая находится на отдельном каркасе;
Защитный чехол (имеется не у всех моделей).

Конструкция однофазного трансформатора

Принцип работы

Однофазный трансформатор работает на определённом законе, ввиду которого идущее в витке переменное электромагнитное поле наводит электродвижущую силу в расположенном рядом проводнике. Действие названо законом электромагнитной индукции, которое было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году. В результате обоснования закона учёный создал общую теорию, используемую в работе огромного числа современных электрических приборов.

При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток I₁, который создает в сердечнике (магнитопроводе) переменный магнитный поток. Замыкаясь в сердечнике, этот поток сцепляется с первичной и вторичной обмотками и индуцирует в них ЭДС, пропорциональные числу витков W.

Принцип работы трансформатора

В первичной обмотке ЭДС самоиндукции:
во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции:
При подключение ко вторичной обмотке нагрузке потечет I2 и установиться U2.

Режимы работы

Как и любой другой преобразователь, однофазный трансформатор имеет три режима работы:

Режим холостого хода. Из названия понятно, что ток проходить не будет, в виду разомкнутой вторичной цепью устройства. А по первичной обмотке проходит холостой ток, основной элемент которого представлен реактивным током намагничивания. Режим используется в качестве определения КПД трансформатора, либо для вывода потерь в сердечнике.
Режим нагрузки. Режим определяется работой трансформатора с подсоединённым источником в первичной цепи, и определённой нагрузкой во вторичном канале устройства. Для вторичной цепи характерен протекающий ток нагрузки (посчитанного из отношения количества витков обмотки и вторичного тока) и ток холостого хода.
Режим короткого замыкания. Режим действует в процессе замыкания вторичной цепи из-за разностей значения потенциала. В этом режиме получаемое сопротивление от вторичной обмотки будет одним источником нагрузки. При проведении короткого замыкания можно вычислить убыток на нагрев обмотки в цепи устройства.

Коэффициент трансформации

Трансформаторы бывают повышающие и понижающие, что бы это определить нужно узнать коэффициент трансформации, с его помощью можно узнать какой трансформатор. Если коэффициент меньше 1 то трансформатор повышающий(также это можно определить по значениям если во вторичной обмотке больше чем в первичной то такой повышающий) и наоборот если К>1, то понижающий(если в первичной обмотке меньше витков чем во вторичной).

Формула по вычислению коэффициента трансформации

U1 и U2 — напряжение в первичной и вторичной обмотки,
N1 и N2 — количество витков в первичной и вторичной обмотке,
I1 и I2 — ток в первичной и вторичной обмотки.

Виды магнитопроводов

Классификация однофазных трансформаторов

Силовой трансформатор

Трансформатор используется в преобразовании электроэнергии в сетях и в устройствах, используемых для получения и применения нужной величины электрической энергии. «Силовой» подразумевает его работу с высоким напряжением. Использование силовых трансформаторов вынуждается разными показателями рабочей мощности ЛЭП, сетей в городской полосе, выводящее напряжение для конечных объектов, а также для общей работы электрических устройств и машин. Мощность разнится от нескольких единиц вольт до сотен киловатт.

Автотрансформатор – один из видов преобразователя, где первичная и вторичная обмотки не разделены, а соединены друг с другом напрямую. Ввиду этого между ними образуется как электромагнитная, так и электрическая связь. Обмотка сопровождается как минимум тремя выводами, подсоединяясь к каждой из них, можно использовать разные мощности. Главным достоинством такого трансформатора – это его высокий уровень КПД, так как преобразуется не всё напряжение, а лишь некоторая часть. Разница особенно заметна, когда входная и выходная мощность имеют незначительные отличия.

Трансформатор тока

Такой трансформатора используется в основном для уменьшения тока первичной обмотки до нужного значения, подходящего в применении цепей измерения, защиты, регулирования и сигнализации. Помимо этого используется в гальванической развязке (передача электроэнергии или сигнала связанными электрическими цепями, при этом электрический контакт между ними отсутствует).

Нормируемое значение параметров тока вторичной обмотки – 1 А или 5 А. Первичная обмотка трансформатора подсоединяется ступенчато в цепь с нагрузкой, при этом переменный ток подвергается контролю, ко вторичной обмотке подключаются измерительные устройства.

Вторичной обмотке трансформатора тока необходимо постоянно находиться в режиме около короткого замыкания. Ведь при любом варианте разъединения цепи на неё поступает высокая мощность, способная выбить изоляцию и выхода из строя включённых приборов.

Высоковольтный ТТ(слева) и низковольтный ТТ(справа)

Трансформатор напряжения

Такой трансформатор получает энергию от источника напряжения. Используется в основном для изменения высокого напряжения в низкое в различных цепях, в том числе измерительных и релейной защиты и автоматики. Имеет возможность проводить изоляцию цепей защиты и измерения от цепей повышенной мощности.

Высоковольтный ТН(слева) и низковольтный ТН(справа)

Импульсный трансформатор

Применяется для изменения импульсных сигналов с откликом импульса в точности до десятков микросекунд. При этом форма импульса сопровождается лишь незначительным искажением. Главным назначением импульсного трансформатора является передача прямоугольного электрического импульса. Используется для преобразования коротких видеоимпульсов напряжения, зачастую воспроизводящихся с высокой скважностью.

Важный параметр при использовании импульсного трансформатора – это неискажённый вид передачи импульсных систем напряжения. При влиянии на вход устройства мощности, отличающейся друг от друга, важно получить напряжение, в точности совпадающее с той же самой формой, разве что, с другой амплитудой или различающейся полярностью.

Однофазные трансформаторы

Эксплуатация

При использовании однофазных трансформаторов технике безопасности отводится особое место. Обусловлено это тем, что устройство находится под высоким напряжением, находящимся на первичных обмотках. При подключении и установке трансформатора в электрические схемы важно соблюдать ряд правил, для исключения поломок и нарушений работы прибора:

Чтобы обмотки не выходили из строя (выгорали), необходимо поставить защиту от короткого замыкания на вторичной цепи;
Необходимо контролировать температурный режим сердечника и обмоток. Желательно установить систему охлаждения, предусматривающую исключение критического повышения температуры при работе.

В случае различной нагрузки от электросети изменяется и её напряжение. Для стабильной работы устройств, получающих энергию, необходимо, чтобы напряжение не изменялось от установленного уровня выше допустимого диапазона. Ввиду этого допускается использование методов регулирования напряжения в сети.

Устройство и принцип работы однофазного трансформатора

Действующее в электрической сети напряжение 220 Вольт в том виде, в котором оно поступает в квартиру, непригодно для работы большинства электронных устройств. Для приведения его к удобному типу для питания бытовой аппаратуры требуются специальные преобразователи, называемые трансформаторами. С их помощью удается понизить величину питающего напряжения до нужного значения, а затем выпрямить его.

Общие сведения о трансформаторах

В качестве преобразователей эти устройства традиционно применяются для приведения к приемлемому виду мощностей, пересылаемых по высоковольтным линиям. Для «переброски» на огромные расстояния подходят только сверхвысокие напряжения, при которых ток может иметь приемлемую величину.

Если попытаться передать энергию хотя бы на сотню километров в виде привычного напряжения 380 Вольт – для доставки до потребителя нужной мощности потребуется ток величиной в миллионы Ампер.

Для ее рассеяния нужен провод толщиной примерно с человеческое тело, что на практике реализовать невозможно. Поэтому на генерирующей электричество стороне с помощью другого (повышающего) трансформатора его значение поднимается до 110-ти кВ. В таком виде использовать электроэнергию распределения по жилым строениям и производственным объектам нельзя. Поэтому после доставки по ВВ в распределительных станциях 110 кВ понижаются до 10(6) кВ.

Отсюда они поступают в районные трансформаторные подстанции, где в местном понижающем трансформаторе приобретают свой окончательный вид 380 (220) Вольт. При таких значениях потенциалов энергию легко удается транспортировать по подземному кабелю или воздушному проводу СИП до конечного потребителя. Поэтому однофазный трансформатор играет большую роль в жизни человека.

Назначение и устройство

Любой трансформатор 220 Вольт однофазный представляет собой электрическое устройство, работающее только в цепях переменного тока. С его помощью входное напряжение преобразуется в нужную величину (чаще всего оно уменьшается). При этом ток, отбираемый от вторичной обмотки, возрастает, поскольку мощность предается практически без потерь. Отсюда следует, что основное назначение этого прибора – получить нужное для решения задач напряжение, а затем использовать его в конкретных целях.

Составить более полное представление поможет знакомство с конструкцией трансформатора, который состоит из следующих основных элементов:

сердечник из ферромагнитных материалов;
первичная и вторичная катушка, размещенная на изолированном каркасе;
защитный кожух (этот элемент у ряда моделей отсутствует).

В некоторых образцах вместо ферромагнетиков применяются электротехническая сталь или пермаллой. Выбор определенного типа материала сердечника зависит от области использования самого изделия.

Принцип действия

Принцип работы однофазного трансформатора основан на законе, согласно которому действующее в витке переменное э/м поле наводит ЭДС в расположенном рядом проводнике. Явление названо законом электромагнитной индукции Фарадея, который первым обнаружил этот интересный эффект. Для его обоснования ученый разработал целую теорию, которая легла в основу работы большинства современных электротехнических устройств и агрегатов.

Основные ее положения:

при прохождении тока через виток провода вокруг него формируется магнитный поток, захватывающий все такие же витки, расположенные рядом;
под воздействием этого потока в них наводится ЭДС, по форме изменений совпадающая с исходным полем;
при наличии в нем ферромагнетика действие этого эффекта усиливается.

Все эти принципы заложены в основу действия современного трансформаторного изделия. При подключении к вторичной обмотке нагрузки рабочая цепь замыкается, а энергия практически без потерь передается потребителю.

Режимы работы

Подобно любым преобразовательным устройствам трансформатор имеет два режима работы:

так называемый «холостой ход»;
режим нагрузки.

При холостом ходе устройство работает без нагрузки и потребляет минимум мощности, рассеиваемой только в первичной обмотке. Ток в ней также минимален и составляет обычно не более 3-10% от значения, наблюдаемого при подключенной нагрузке. Во втором случае в витках вторичной обмотки начинает течь ток, величина которого обратно пропорциональна количеству витков в катушке.

В понижающем трансформаторе напряжение в ней ниже, а ток – больше. В этом режиме мощность в нагрузку передается с учетом теплового рассеяния в сердечнике трансформатора.

Основные параметры

При рассмотрении параметров преобразователей напряжения и тока важно отметить коэффициент трансформации k, определяемый как I1/I2 = w2/w1 = 1/k. Здесь w2 и w1 – число витков во вторичной и первичной обмотках соответственно. Помимо этого, учитываются и такие его характеристики, как размер окна сердечника, в котором размещаются катушки.

Еще одним параметром, характеризующим передаточные свойства однофазного двухобмоточного трансформатора по напряжению, является тот же коэффициент трансформации k, величина которого для понижающего прибора меньше 1. И наоборот, если к > 1 – это изделие является повышающим трансформатором. При отсутствии потерь в проводах обмоток и рассеивания потока вычислить этот показатель очень просто. Для этого удобнее всего воспользоваться простым алгоритмом расчета: k= U2/U1. Если вторичных обмоток несколько, указанный параметр следует определять для каждой из них в отдельности.

Виды трансформаторов и их применение

По конструктивным особенностям сердечника известные образцы однофазных трансформаторов подразделяются на стержневые, кольцевые и броневые изделия. По форме используемого в них магнитопровода они могут быть:

Каждая из этих форм подходит для определенных целей, связанных с необходимостью получения заданных передаточных характеристик.

По величине максимально достижимой магнитной связи (МС) трансформаторы делятся на изделия с сильным, средним и слабым взаимодействием. Эти характеристики в значительной мере зависят от конструкции самого изделия и вида его сердечника.

Однофазный трансформатор востребован в тех областях, где нужно согласовать две силовые цепи с электрической развязкой каждой из них.

Эксплуатация изделий

При эксплуатации однофазных преобразующих устройств особое внимание обращается на безопасное обращение с ними, что объясняется высоким напряжением, присутствующим на первичных обмотках. Также важно учитывать следующие моменты, касающиеся правил установки и включения трансформаторов в электрические схемы:

чтобы избежать выхода обмоток из строя (выгорания), следует защищать вторичные цепи от КЗ;
важно следить за тепловым режимом сердечника и обмоток и, если потребуется, предусмотреть их охлаждение.

Уход за однофазным трансформатором сводится к стандартным процедурам, которые предусмотрены положениями действующих нормативов.

Читать еще: Схема регулирования частоты вращения асинхронного двигателя

Оценка статьи:

Загрузка...