Трансформаторы что это такое

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Трансформаторы — это устройства предназначенные для преобразования электроэнергии. Их основная задача — изменение значения переменного напряжения.

Трансформаторы используются как в виде самостоятельных приборов, так и в качестве составных элементов других электротехнических устройств.

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.

После того как трансформатор подсоединяют к источнику переменного тока в его первичная обмотка формирует переменный магнитный поток. По магнитопроводу он передается на витки вторичной обмотки, индуцируя в них переменную ЭДС (электродвижущую силу). При наличии устройства потребления в цепи вторичной обмотки возникает электрический ток.

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. Микро трансформатор имеет обмотки из алюминиевой фольги толщиной не более 20—30 мкм. В качестве изолирующего материала выступает оксидная пленка, полученная естественным окислением фольги.

ВИДЫ И ТИПЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

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

Они имеют одну обмотку с несколькими отводами. За счет переключения между этими отводами можно получить разные показатели напряжения. К недостаткам следует отнести отсутствие гальванической развязки между входом и выходом.

Предназначены для преобразования импульсного сигнала незначительной продолжительности (около десятка микросекунд). При этом форма импульса искажается минимально. Обычно используется в цепях обработки видеосигнала.

Конструкция этого устройства предусматривает полное отсутствие электрической связи между первичной и вторичными обмотками, то есть обеспечивает гальваническую развязку между входными и выходными цепями. Используется для повышения электробезопасности и, как правило, имеет коэффициент трансформации равный единице.

Используется для управления полупроводниковыми электрическими устройствами типа тиристоров. Преобразует синусоидальное напряжение переменного тока в пикообразные импульсы.

Различают сухие устройства с естественным воздушным охлаждением в открытом, защищенном и герметичном исполнении корпуса и с принудительным воздушным охлаждением.

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.

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).

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. Также достаточно широкой областью применения трансформаторов является обеспечение электропитания различного оборудования.

В зависимости от назначения трансформаторы делят на:

Являются наиболее распространенным типом промышленного трансформатора. Применяются для повышения и понижения напряжения. Используется в линиях электропередач. По пути от электрогенерирующих мощностей до потребителя электроэнергия может несколько раз проходить через повышающие силовые трансформаторы, в зависимости от удалённости конкретного потребителя.

Перед подачей непосредственно на приборы потребления (станки, бытовые и осветительные приборы) электроэнергия претерпевает обратные преобразования, проходя через силовые понижающие трансформаторы.

Выносные измерительные трансформаторы тока используются для обеспечения работоспособности цепей учета электроэнергии защиты энергетических линий и силовых автотрансформаторов. Они имеют различные размеры и эксплуатационные показатели. Могут размещаться в корпусах небольших приборов или являться отдельными, габаритными устройствами.

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 применяются для преобразования напряжения до нужных величин. Кроме того, такие устройства используются в цепях гальванической развязки и электро- радио- измерениях.

© 2012-2020 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Силовые трансформаторы: что это такое, назначение, классификация и конструктивные особенности

Между генераторами электроэнергии и потребителями может быть десятки, а то и сотни километров. Для минимизации потерь при транспортировке применяется специальная технология, суть которой заключается в повышении напряжения, передачи его посредством ЛЭП и понижении до уровня потребительской сети. Последний этап преобразования осуществляется на подстанциях, оборудованными силовыми трансформаторами (далее по тексту СТ). В данной публикации мы расскажем, что представляют собой эти устройства, их основные конструктивные элементы и особенности.

Что такое силовой трансформатор и его назначение

Это аппарат, преобразующий амплитуду переменного напряжения, оставляя неизменным его частоту. В основу работы такого устройства положен принцип электромагнитной индукции. Мы не будем отвлекаться на его описание, всю подробную информацию можно найти на страницах нашего сайта.

Основная сфера применения СТ связана с передачей и распределением электроэнергии, упрощенно это представлено на рисунке ниже.

Схема передачи электроэнергии

Как видно из рисунка, в цепи между генератором и потребителем может быть установлено несколько СТ. Первый повышает напряжение до 110 кВ (чем оно выше, темь меньше потерь при передаче на дальние расстояния) и подает его на ЛЭП. На выходе линии установлен второй СТ на районной подстанции, откуда производится передача по подземному кабелю на трансформаторный пункт, откуда запитываются конечные потребители.

Трансформаторный пункт

Принятые классификации

Учитывая немалый вес и размеры СТ, чтобы упростить ряд работ, связанных с обслуживанием, транспортировкой и планированием, данные устройства принято делить на габаритные группы. Ниже представлена таблица, где показано соответствие.

Таблица габаритов СТ:

Силовой трансформатор 5-й габаритной группы ТРДЦН-63000/220, вес около 130 тонн

Помимо габаритного распределения, СТ также классифицируют по следующим показателям:

• число фаз (как правило, подстанции оборудованы трехфазными преобразователями);
• количество обмоток (две или три);
• функциональное назначение (понижение или повышение амплитуды);
• исполнение (установка внутри помещения или снаружи);
• система отвода тепла (воздушная или масляная).

Конструктивные особенности

Несмотря на разнообразие видов СТ их конструкция неизменно включает следующие обязательные элементы:

• выводы катушек высокого и низкого напряжения (ВН и НН), их принято называть силовыми вводами;
• систему отвода тепла;
• устройства, позволяющие регулировать рабочее напряжение;
• дополнительное оборудование, для контроля работы и обслуживания аппарата.

На рисунке ниже представлена типовая конструкция СТ с масляной системой отвода тепла.

Конструкция силового трансформатора с масляным охлаждением

Обозначения:

• А – бак расширителя, служит для выравнивания уровня масла при изменении его объема вследствие температурных колебаний.
• В – силовой ввод для ВН.
• С — ввод для НН.
• D – переключатель рабочего напряжения.
• E – радиатор, представляет собой трубы, по которым циркулирует масло.
• F – корпус, также играет роль бака для масла.
• G и H – катушки ВН и НН.
• I – магнитопроводный сердечник.

Теперь рассмотрим подробно назначение основных конструктивных элементов.

Назначение силовых вводов

Данный элемент конструкции необходим для подключения питания и нагрузки к СТ. Их расположение может быт как внутренним (закрытые клеммные колодки) так и внешним. Обратим внимание, что первый вариант расположение используется только в СТ с воздушной системой отвода тепла.

Обязательно наличие изоляции, между вводом и корпусом, она может быть маслобарьерной, элегазовой, конденсаторной-проходной или же выполнена из материалов, не проводящих электричество (фарфор, полимеры и т.д.).

Рис. 4. Фарфоровые изоляторы на вводах силового трансформатора

Система отвода тепла

В процессе преобразования электроэнергии часть потерь выделяется в виде тепла, поэтому система его отвода неизменно присутствует в любом СТ. Мощные аппараты снабжены для этого специальной двухконтурной системой, охлаждение масла в которой производится следующими способами:

• Посредством радиаторов (см. Е на рис. 4), обеспечивающих отвод тепла во вторичную или внешнюю среду.
• Бак-корпус с гофрированной поверхностью (применяется в маломощных аппаратах).
• Установка вентиляционного оборудования. Такое решение позволяет увеличить производительность на четверть. Вентиляторы принудительной системы охлаждения СТ
• Дополнительные системы водяного охлаждения. Это один из самых простых и эффективных способов отвода тепла.
• Применение специальных насосов, обеспечивающих циркуляцию масла в системе отвода тепла.

Устройства управления рабочим напряжением

В некоторых случаях возникает необходимость повысить или понизить напряжение нагрузки СТ, для этой цели в большинстве конструкций предусмотрено специальный переключатель. По сути, он меняет коэффициент трансформации путем переключения на большее или меньшее число витков в катушках.

Как правило, такие манипуляции выполняются при снятой нагрузке, но существуют устройства позволяющие изменять КТ без отключения потребителей.

Виды дополнительного оборудования

Для обеспечения стабильной работы и обслуживания СТ их конструкция может включать следующие устройства, именуемые навесным или дополнительным оборудованием:

• Реле давления газа, представляет собой защитную систему. Если СТ переходит в нештатный режим работы, то в результате большого выделения тепла происходит разложение масла. Данный процесс сопровождается выделением газа. При его быстром образовании срабатывает защита, отключающая аппарат от питания и нагрузки. Если процесс газообразования протекает медленно, включается оповещение.
• Термоиндикаторы, показывают нагрев масла в различных узлах системы отвода тепла. Индикатор температуры масла
• Влагопоглотители. Применяются в негерметичных масляных системах отвода тепла, препятствуют образованию водяного конденсата.
• Системы маслорегенерации.
• Датчики давления, если оно превышает определенный порог, автоматически включается устройство сброса для нормализации.
• Датчик уровня заполнения масла в системе отвода тепла.

Принятая маркировка

Буквенно-цифровые обозначения СТ производится в соответствии с представленным ниже рисунком.

Маркировка силового трансформатора

Обозначения:

1. Указывается тип аппарата. Возможны варианты «А», «Л», «Е» или отсутствие символа, что соответствует автотрансформатору, линейному или печному устройству. Отсутствие символа указывает на обычный СТ.
2. «О» или «Т», соответствует однофазному или трехфазному аппарату.
3. Используемая вариант отвода тепла (для масляных систем), возможные варианты:

• М – принудительные системы не используются.
• Д – производится принудительный обдув.
• ДЦ – производится принудительный обдув с ненаправленной циркуляцией.
• НЦ – водяно-масляное охлаждение с направленной циркуляцией.
• Ц – водно-масляное охлаждение с ненаправленной циркуляцией.

1. Указание мощности в кВ*А.
2. Допустимый уровень ВН (кВ).
3. Вариант исполнения (наружное или внутреннее размещение, особые климатические условия и т.д.)

Особенности обслуживания

СТ являются важными звеньями в схемах передачи электроэнергии, от них зависит работа всей системы. Для обеспечения надежности и бесперебойной работы этих устройств необходимо регулярное обслуживание подготовленными специалистами, имеющих соответствующий уровень допуска.

Если оборудование используется там, где предусмотрено наличие штатного дежурного персонала, то его обязанности входит проведение регулярных осмотров, при которых снимаются показания приборов, характеризующих текущее состояние СТ. Регламентом предписывается контролировать:

• Показания уровня масла в теплоотводных системах.
• Состояние влагопоглотителей.
• Работу системы маслорегенерации.
• Состояние внешнего корпуса аппарата и основных его узлов.

При обнаружении отклонения от нормы, подтеков, повреждений или других признаков, свидетельствующих о нештатной работе контролируемых аппаратов, персонал должен принять предписанные инструкцией меры.

Для автономного оборудования, работа которого не требует наличия дежурного персонала, положено проводить технический осмотр ежемесячно. Что касается трансформаторных пунктов, то для них эта норма снижена до полгода.

При обнаружении недостатка масла в системе отвода тепла следует произвести доливку, а в случае несоответствия нормам – полную замену. Определить необходимость замены масла, можно по его цвету.

Свидетельством нештатного режима работы оборудования может быть повышение температуры в помещении подстанции. При обнаружении прямых или косвенных свидетельств анормального функционирования СТ, предписывается проводить внеплановый осмотр с проверкой общего состояния элементов защитного оборудования.

Согласно правилам эксплуатации необходимо раз в год брать пробу масла для лабораторного анализа. Это же действие предписывается в случае капитального ремонта.

Помимо этого при обслуживании периодически приходится производить подстройку рабочего напряжения. Необходимость этого связана с тем, что со временем латунные и медные контакты покрываются оксидной пленкой, что приводит к увеличению переходного сопротивления. Что бы не допустить этого, раз в полгода с СТ снимается нагрузка и питание, после чего производится переключение регулятора напряжения во всем позициям. Процедуру рекомендуется повторить несколько раз, перед тем как вернуть исходное положение.

Что такое трансформатор: устройство, принцип работы, схема и назначение

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

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

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

Работа любого трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции, открытой Фарадеем.

Назначение трансформаторов

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

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

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

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

• импульсные трансформаторы;
• силовые трансформаторы;
• трансформаторы тока.

Принцип работы трансформатора

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

Кстати, в других статьях можно почитать, что такое фаза и ноль в электричестве.

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

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

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

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

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

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

Идеальный трансформатор

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

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

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Потери энергии в трансформаторе

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

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

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

Что такое трансформатор

Трансформатор – статическое устройство, имеющее две или более обмотки связанные индуктивно на магнитопроводе, предназначенное для преобразования одной величины напряжение и тока в другое посредством электромагнитной индукции, без изменения частоты.

Немного истории

Благодаря английскому физику Майклу Фарадею в 1831 году человечество познакомилось с электромагнитной индукцией. Великому учёному не суждено было стать изобретателем трансформатора, поскольку в его опытах фигурировал постоянный ток. Прообразом устройства можно считать необычную индукционную катушку француза Г. Румкорфа, которая была представлена учёному миру в 1848-м.

В 1876 году русский электротехник П. Н. Яблочков запатентовал трансформатор переменного тока с разомкнутым сердечником. Современному виду устройство обязано англичанам братьям Гопкинсон, а также румынами К. Циперановскому и О. Блати. С их помощью конструкция приобрела замкнутый магнитопровод и сохранила схему до наших дней.

В принципе работы трансформатора сочетаются основные постулаты электромагнетизма и электромагнитной индукции. Его можно рассмотреть на примере простейшего прибора с двумя катушками и стальным сердечником. Подача переменного напряжения на первичную обмотку приводит к возникновение магнитного потока в магнитопроводе, после чего во вторичной и первичной обмотке возникает ЭДС индукции, если подключить нагрузку ко вторичной обмотке то потечёт ток. Частота напряжения на выходе остаётся неизменной, а его величина зависит от соотношения витков катушек.

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).

• 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.

Конструкция силового трансформатора:

Режимы работы

Характеристики трансформаторов определяются условиями работы, где ключевая роль отводится сопротивлению нагрузки. За основу берутся следующие режимы:

1. Холостого хода. Выводы вторичной цепи находятся в разомкнутом состоянии, сопротивление нагрузки приравнивается бесконечности. Измерения тока намагничивания, протекающего в первичной обмотке, даёт возможность подсчитать КПД трансформатора. При помощи этого режима вычисляется коэффициент трансформации, а также потери в сердечнике;
2. Под нагрузкой (рабочий). Вторичная цепь нагружается определённым сопротивлением. Параметры протекающего по ней тока напрямую связаны с соотношением витков катушек.
3. Короткого замыкания. Концы вторичной обмотки закорочены, сопротивление нагрузки равно нулю. Режим информирует о потерях, которые вызываются нагревом обмоток, что на профессиональном языке значится «потерями в меди».

Режим короткого замыкания

Информация о поведении трансформатора в различных режимах получаются опытным путём с использованием схем замещения.

Классификации

Трансформаторы классифицируются по ряду параметров, таким как:

• Назначение. Применяются: для изменения напряжения, измерения тока, защиты электрических цепей, как лабораторные и промежуточные устройства.
• Способ установки. В зависимости от размещения и мобильности трансформатор может быть: стационарным, переносным, внутренним, внешним, опорным, шинным.
• Число ступеней. Устройства подразделяются на одноступенчатые и каскадные.
• Номинальное напряжение. Бывают низко- и высоковольтными.
• Изоляция обмоток. Наиболее часто используется бумажно-масляная, сухая, компаундная.

Помимо этого, преобразовательные устройства разнятся типами, каждому из которых присуща своя система классификации.

Силовой

Наибольшее распространение получил силовой трансформатор. Приборы с непосредственным преобразованием переменного напряжения, рассчитанные на большую мощность, востребованы различными областями электроэнергетики. Они применяются на линиях электропередач с напряжениями 35–1150 кВ, в городских электросетях, работающих с напряжением 6 и 10 кВ, в обеспечении конечных потребителей напряжением 220/380В. С помощью устройств осуществляется питание всевозможных электроустановок и приборов в диапазоне от долей до сотен тысяч вольт.

Силовой трансформатор

Измерительные

Трансформаторы тока (ТА) понижают ток до необходимых показателей. Схема их работы отличается последовательным включением первичной обмотки и нагрузки. В то же время вторичная обмотка, находящаяся в состоянии, близком к короткому замыканию, используется для подключения измерительных приборов, исполнительных и индикаторных устройств. С помощью ТА осуществляется гальваническая развязка, что позволяет при измерениях отказаться от шунтов.

Высоковольтный ТТ(слева) и низковольтный ТТ(справа)

С помощью трансформаторов напряжения (ТН), тоже самое что и ТА только по напряжению. Помимо преобразования входных параметров, электроаппаратура и её отдельные элементы получают защиту от высокого вольтажа.

Высоковольтный ТН(слева) и низковольтный ТН(справа)

Импульсный

При необходимости преобразования сигналов импульсного характера применяются импульсные трансформаторы (ИТ). Изменяя амплитуду и полярность импульсов, устройства сохраняют их длительность и практически не затрагивают форму.

Автотрансформатор

В автотрансформаторах обмотки составляют одну цепь и взаимодействуют посредством электромагнитной и электрической связи. В отличие от других типов преобразователей, устройства могут содержать всего 3 вывода, позволяющих оперировать с различными напряжениями. Приборы выделяются высоким коэффициентом полезного действия, что особо сказывается при незначительном перепаде входного и выходного напряжения.

Однофазный(слева) и трёхфазный(справа)

Не имея гальванической развязки, представители данного типа повышают риск высоковольтного удара по нагрузке. Обязательным условием работы устройств являются надёжное заземление и низкий коэффициент трансформации. Недостаток компенсируется меньшим расходом материалов при изготовлении, компактностью и весом, стоимостью.

Разделительный

Для разделительных трансформаторов взаимодействие между обмотками исключено. Устройства повышают безопасность электрооборудования при повреждённой изоляции.

Разделительный трансформатор

Согласующий

Согласующие трансформаторы применяются для выравнивания сопротивлений между каскадами схем электроники. Сохраняя форму сигнала, они играют роль гальванической развязки.

Пик-трансформатор

С помощью пик-трансформатора синусоидальное напряжение преобразуется в импульсное. При этом импульсы меняют полярность с каждым полупериодом.

Сдвоенный дроссель

Особенностью сдвоенного дросселя является идентичность обмоток. Взаимная индукция катушек делает его более эффективным, по отношению стандартным дросселям. Устройства используются как входные фильтры в блоках питания, в звуко- и цифровой технике.

Сдвоенный дроссель

Сварочный

Помимо вышеперечисленных, существует понятие сварочные трансформаторы. Специализированные приборы для сварочных работ понижают напряжение бытовой сети при одновременном повышении тока, измеряемого тысячами ампер. Регулировка последнего осуществляется разделением обмоток на сектора, что отражается на индуктивном сопротивлении.

Сварочный трансформатор

Расшифровка основных параметров

Разнообразие в конструкции и широкий диапазон параметров трансформаторов привели к необходимости их маркировки по специальному стандарту. Не имея под рукой технического описания, характеристики устройства можно выяснить по нанесённой на его поверхности информации, выраженной буквенно-цифровым кодом.

Маркировка силовых трансформаторов содержит 4 блока.

Скачать и посмотреть ГОСТ 15150 можно здесь(откроется в новой вкладе в PDF формате): Смотреть файл

Расшифруем первые три блока:

Расшифровка маркировки: 1,2,3 блока

1. Первая буква «А» прикреплена за автотрансформаторами. При её отсутствии буквы «Т» и «О» соответствуют трёхфазным и однофазным трансформаторам.
2. Наличие далее буквы «Р» информирует об устройствах с расщеплённой обмоткой.
3. Третья буква означает охлаждение, масляной естественной системе охлаждения присвоена литера «М». Естественному воздушному охлаждению выделена буква «С», масляное с принудительным обдувом обозначается «Д», с принудительной циркуляцией масла – «Ц». Сочетание «ДЦ» указывает на наличие принудительной циркуляции масла с одновременным воздушным обдувом.
4. Литерой «Т» помечаются трёхобмоточные преобразователи.
5. Последний знак характеризует особенности трансформатора:

• «Н» – РПН(регулировка напряжения под нагрузкой);
• пробел – переключение без возбуждения;
• «Г» – грозозащищенный.

Цена трансформаторов

Цена трансформатора варьируется в широких пределах и зависит от множества факторов. Здесь учитывается тип и назначение, мощность и другие электрические параметры. На стоимости устройств отражается сложность производства и используемые материалы. Немаловажное значение играет защита и другие особенности.

Трансформатор известного производителя не может быть дешёвым. Однако покупатель может быть уверен, что приобретённое им устройство полностью соответствует указанным характеристикам, не выйдет из строя при первом включении и гарантированно отработает заложенный ресурс.

Высоковольтные трансформаторы можно оценивать по их мощности, то есть если мощность трансформатора 63 МВт(63000 кВА), то он стоит около 63 млн рублей, но это примерна оценка.

Видео: Как проверить исправность трансформатора

Принцип работы, устройство и виды трансформаторов

Человеку, мало знакомому с электрикой сложно представить себе, что такое трансформатор, где он задействован, назначение элементов его конструкции.

Общая информация об устройстве

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования тока переменной частоты с одним напряжением в переменный ток с иным напряжением, но с прежней частотой, основанный на явлении электромагнитной индукции.

Применяются приборы во всех сферах деятельности человека: электроэнергетике, радиотехнической, радиоэлектронной промышленности, бытовой сфере.

Конструкция

Устройство трансформатора предполагает наличие одной либо большего числа отдельных катушек (ленточных или проволочных), находящихся под единым магнитным потоком, накрученных на сердечник, изготовленный из ферромагнетика.

Важнейшие конструктивные части следующие:

• обмотка;
• каркас;
• магнитопровод (сердечник);
• охлаждающая система;
• изоляционная система;
• дополнительные части, необходимые в защитных целях, для установки, обеспечения подхода к выводящим частям.

В приборах чаще всего можно увидеть обмотку двух типов: первичную, получающую электроток от стороннего питающего источника, и вторичную, с которой напряжение снимается.

Сердечник обеспечивает улучшенный обратный контакт обмоток, обладает пониженным сопротивлением магнитному потоку.

Некоторые виды приборов, работающие на сверхвысокой и высокой частоте, производятся без сердечника.

Производство приборов налажено в трех базовых концепциях обмоток:

Устройство трансформаторов стержневых подразумевает накручивание обмотки на сердечник строго горизонтальное. В приборах броневого типа она заключена в магнитопроводе, размещается горизонтально либо вертикально.

Надежность, эксплуатационные особенности, устройство и принцип действия трансформатора принимаются без какого-либо влияния принципа его изготовления.

Принцип работы

Принцип работы трансформатора базируется на эффекте взаимоиндукции. Поступление тока переменной частоты от стороннего поставщика электроэнергии на вводы первичной обмотки формирует в сердечнике магнитное поле с переменным потоком, проходящего через вторичную обмотку и индуцирующее образование электродвижущей силы в ней. Закорачивание на приемнике электроэнергии вторичной обмотки обуславливает прохождение сквозь приемник электротока из-за влияния электродвижущей силы, вместе с тем в первичной обмотке образуется ток нагрузки.

Назначение трансформатора — перемещение преобразованной электрической энергии (без перемены ее частоты) к вторичной обмотке из первичной с подходящим для функционирования потребителей напряжением.

Классификация по видам

Силовые

Силовой трансформатор переменного электротока — это прибор, использующийся в целях трансформирования электроэнергии в подводящих сетях и электроустановках значительной мощности.

Необходимость в силовых установках объясняется серьезным различием рабочих напряжений магистральных линий электропередач и городских сетей, приходящих к конечным потребителям, требующимся для функционирования работающих от электроэнергии машин и механизмов.

Автотрансформаторы

Устройство и принцип работы трансформатора в таком исполнении подразумевает прямое сопряжение первичной и вторичной обмоток, благодаря этому одновременно обеспечивается их электромагнитный и электрический контакт. Обмотки устройств имеют не менее трех выводов, отличающихся своим напряжением.

Основным достоинством этих приборов следует назвать хороший КПД, потому как преобразуется далеко не вся мощность — это значимо для малых расхождениях напряжений ввода и вывода. Минус — неизолированность цепей трансформатора (отсутсвтие разделения) между собой.

Трансформаторы тока

Данным термином принято обозначать прибор, запитанный непосредственно от поставщика электроэнергии, применяющийся в целях понижения первичного электротока до подходящих значений для использующихся в измеряющих и защитных цепях, сигнализации, связи.

Первичная обмотка трансформаторов электротока, устройство которых предусматривает отсутствие гальванических связей, подключается к цепи с подлежащим определению переменным электротоком, а электроизмерительные средства подсоединяются к вторичной обмотке. Текущий по ней электроток примерно соответствует току первичной обмотки, поделенному на коэффициент трансформирования.

Трансформаторы напряжения

Назначение этих приборов — снижение напряжения в измеряющих цепях, автоматики и релейной защиты. Такие защитные и электроизмерительные цепи в устройствах различного назначения отделены от цепей высокого напряжения.

Импульсные

Данные виды трансформаторов необходимы для изменения коротких по времени видеоимпульсов, как правило, имеющих повторение в определенном периоде со значительной скважностью, с приведенным к минимуму изменением их формы. Цель использования — перенос ортогонального электроимпульса с наиболее крутым срезом и фронтом, неизменным показателем амплитуды.

Главным требованием, предъявляющимся к приборам данного типа, является отсутствие искажений при переносе формы преобразованных импульсов напряжения. Действие на вход напряжения какой-либо формы обуславливает получение на выходе импульса напряжения идентичной формы, но, вероятно, с другим диапазоном либо измененной полярностью.

Разделительные

Что такое трансформатор разделительный становится понятно исходя из самого определения — это прибор с первичной обмоткой, не связанной электрически (т.е. разделенной) с вторичными.

Существует два типа таких устройств:

Силовые применяются с целью улучшения надежности электросетей при непредвиденном синхронном соединении с землей и токоведущими частями, либо элементами нетоковедущими, оказавшимися из-за нарушения изоляции под напряжением.

Сигнальные применяются в целях обеспечения гальванической развязки электроцепей.

Согласующие

Как работает трансформатор данного вида также понятно из его названия. Согласующими называются приборы, применяющиеся с целью согласования между собой сопротивления отдельных элементов электросхем с приведенным к минимуму изменением формы сигнала. Также устройства такого типа используются для исключения гальванических взаимодействий между отдельными частями схем.

Пик-трансформаторы

Принцип действия пик-трансформаторов базируется на преобразование характера напряжения, от входного синусоидального в импульсное. Полярность после перехода изменяется по прошествии половины периода.

Сдвоенный дроссель

Его азначение, устройство и принцип действия, как трансформатора, абсолютно идентичны приборам с парой подобных обмоток, которые, в данном случае, абсолютно одинаковы, намотанны встречно или согласованно.

Также часто можно встретить такое наименование данного устройства, как встречный индуктивный фильтр. Это говорит о сфере применения прибора – входная фильтрация напряжения в блоках питания, звуковой технике, цифровых приборах.

Режимы работы

Холостой ход (ХХ)

Такой порядок работы реализуется от размыкания вторичной сети, после чего в ней прекращается течение электротока. В первичной обмотке течет ток холостого хода, составной его элемент — ток намагничивающий.

Когда вторичный ток равен нулю, электродвижущая сила индукции в первичной обмотке целиком возмещает напряжение питающего источника, а потому при пропаже нагрузочных токов, идущий сквозь первичную обмотку ток по своему значению соответствует току намагничивающему.

Функциональное назначение работы трансформаторов вхолостую — определение их важнейших параметров:

• КПД;
• показателя трансформирования;
• потерь в магнитопроводе.

Режим нагрузки

Режим характеризуется функционированием устройства при подаче напряжения на вводы первичной цепи и подключении нагрузки во вторичной. Нагружающий ток идет по «вторичке», а в первичной — суммарный ток нагрузки и ток холостой работы. Этот режим функционирования считается для прибора преобладающим.

На вопрос, как работает трансформатор в основном режиме, отвечает основной закон ЭДС индукции. Принцип таков: подача нагрузки к вторичной обмотке вызывает образование во вторичной цепи магнитного потока, образующего в сердечнике нагружающий электроток. Направлен он в сторону, противоположную его течению, создающегося первичной обмоткой. В первичной цепи паритет электродвижущих сил поставщика электроэнергии и индукции не соблюдается, в первичной обмотке осуществляется повышение электротока до того времени, пока магнитный поток не вернется к своему исходному значению.

Короткое замыкание (КЗ)

Переход прибора в этот режим осуществляется при кратковременном замыкании вторичной цепи. Короткое замыкание — особый тип нагрузки, прилагаемая нагрузка — сопротивление вторичной обмотки — единственная.

Принцип работы трансформатора в режиме КЗ таков: к первичной обмотке приходит незначительное переменное напряжение, выводы вторичной соединяются накоротко. Напряжение на входе устанавливается с таким расчетом, чтобы величина замыкающего тока соответствовала величине номинального электротока устройства. Величина напряжения определяет энергопотери, приходящиеся на разогрев обмоток, а также на активное сопротивление.

Такой режим характерен для приборов измерительного типа.

Исходя из многообразия устройств и видов назначения трансформаторов, можно с уверенностью сказать, что на сегодня они — незаменимые, использующиеся практически повсеместно устройства, благодаря которым обеспечивается стабильность и достижение необходимых потребителю значений напряжения, как гражданских сетей, так и сетей предприятий промышленности.

БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА

Студенческий блог для электромеханика. Обучение и практика, новости науки и техники. В помощь студентам и специалистам

24.05.2013

Что такое трансформатор? Принцип устройства трансформатора. Виды трансформаторов

Трансформатор — статический (без подвижных частей) электромагнитный аппарат, предназначенный для повышения или понижения напряжения переменного тока.

Принципиальная схема трансформатора приведена на рис. 1.

Основные части трансформатора: замкнутый стальной сердечник 1 и размещенные на этом сердечнике обмотки 2 и 3. Обмотки изолированы от стального сердечника и друг от друга, т. е. обмотки электрически не связаны между собой.

Сердечники трансформаторов набирают из листов специальной так называемой трансформаторной стали толщиной 0,35 или 0,5 мм.

Листы стали изолируют друг от друга специальной бумагой или лаковой изоляцией.

Трансформаторная сталь имеет повышенное по сравнению с обычной сталью электрическое сопротивление, способствующее, так же как и наличие прокладок и лака, уменьшению вихревых токов, индуктируемых в сердечнике, и связанных с ними потерь.

В трансформаторной стали потери, связанные с гистерезисом (перемагничиванием), меньше, чем в других сортах стали.

Обмотка трансформатора, к которой подводится электрическая энергия, называется первичной обмоткой, другая, к которой присоединяются приемники энергии, — вторичной обмоткой.

Соответственно все электрические величины (мощность, напряжение, ток, сопротивление и т. д.), относящиеся к электрической цепи первичной обмотки, называются первичными, а относящиеся ко вторичной обмотке, — вторичными.

Обмотка с более высоким напряжением называется обмоткой высшего напряжения (в. н.), обмотка, присоединенная к сети с меньшим напряжением, называется обмоткой низшего напряжения (н.н.).

Если вторичное напряжение меньше первичного, то трансформатор называется понижающим, а если больше — повышающим.

Режим работы трансформатора, при котором вторичная обмотка разомкнута, а к зажимам первичной подведено напряжение, называется холостым ходом.

Если к зажимам первичной обмотки подвести напряжение переменного тока U₁, то в первичной обмотке потечет ток, который создаст переменный магнитный поток.

Преобладающая часть магнитных линий потока замкнется по стальному сердечнику, пронизывая все нитки первичной и вторичной обмоток. Эта часть магнитного потока называется основным, или рабочим, магнитным потоком Ф_т.

Другая часть потока, обычно гораздо меньшая, замыкается через воздух, пронизывая только витки первичной обмотки, и называется потоком рассеяния первичной обмотки Ф_s1. При разомкнутой вторичной цепи (цепи, питаемой от вторичной обмотки) ток в ней отсутствует и с ней не связано никакое магнитное поле.

При замыкании вторичной цепи в ней появляется ток; связанное с ним магнитное поле образует два потока: один в сердечнике, другой, замыкающийся через воздух, Ф_s2; таким образом, около вторичной обмотки также создается поток рассеяния.

Потоки рассеяния аналогичны магнитному потоку самоиндукции, который создает ток в любой катушке индуктивности и любом проводе. Эти потоки являются вредными.

Согласно закону электромагнитной индукции при изменении основного магнитного потока индуктируется э. д. с. в первичной обмотке Е₁ и во вторичной Е₂.

Так как первичная обмотка с числом витков w₁ и вторичная обмотка с числом витков w₂ пронизываются одним и тем же основным потоком, то очевидно, что в каждом витке обеих обмоток индуктируется одинаковая по величине э. д. с. е. Следовательно, E_s1 = ew₁ и Е₂ = ew₂, откуда

где К — коэффициент трансформации трансформатора.

Поток рассеяния в свою очередь индуктирует э. д. с. рассеяния в первичной обмотке E_s1.

Следовательно, напряжение, приложенное к первичной обмотке трансформатора, U₁ должно быть уравновешено падением напряжения в активном сопротивлении I₁r₁ первичной обмотки, э. д. с. E_sl рассеяния и э. д. с. E₁ основного потока.

При холостом ходе, т. е. при разомкнутой вторичной цепи, E_s1 и I₁r₁ очень малы и можно считать, что э. д. с. Е₁, индуктируемая в первичной обмотке, полностью уравновешивает подведенное напряжение U₁.

При разомкнутой вторичной цепи э. д. с. Е₂ электрического тока не вызывает, но если мы замкнем вторичную обмотку, т. е. присоединим к ней приемники электроэнергии, то под действием вторичной э. д. с. по вторичной цепи потечет ток, подводимая к трансформатору первичная мощность преобразовывается во вторичную, где используется для приемников электроэнергии (электродвигателей, электрических ламп и т. д.).

Если не учитывать потерь, можно считать, что подводимая мощность E₁I₁ приблизительно равна вторичной мощности Е₂I₂ (I₁ и I₂ — первичный и вторичный токи трансформатора), т. е.

т. е. при трансформации первичный и вторичный токи приблизительно обратно пропорциональны числам витков соответствующих обмоток; э. д. с. первичной и вторичной обмоток прямо пропорциональны числам витков соответствующих обмоток.

Вторичный ток I₂, проходя в обмотке, создает ампер-витки I₂w₂, действующие в той же магнитной цепи трансформатора (сердечнике), что и ампер-витки первичной обмотки. Следовательно, при нагрузке основной магнитный поток (сцепленный с первичной и вторичной обмотками) будет определяться совместным действием ампер-витков l₁w₁ первичной и ампер-витков I₂w₂ вторичной обмоток.

Согласно закону Ленца индуктированный во вторичной обмотке ток направлен таким образом, что препятствует изменению сцепленного с ним магнитного потока. Изменение магнитного потока вызывается первичными ампер-витками l₁w₁. Следовательно, вторичный ток должен быть такого направления, чтобы создаваемые ими ампер-витки действовали против ампер-витков первичной обмотки.

Уменьшение основного магнитного потока из-за размагничивающего действия вторичных ампер-витков вызовет уменьшение индуктированной им э. д. с. Е₁ в первичной обмотке. Так как напряжение, приложенное к зажимам первичной обмотки U₁, остается постоянным, то при уменьшении Е₁ оно не уравновешивает напряжения U₁, поэтому ток увеличивается до величины, при которой восстанавливается равенство напряжения U₁ и э. д. с. Е₁. При этом основной магнитный поток должен практически сохранять величину, равную величине основного потока при холостом ходе.

Действительно, при всех нагрузках трансформатора напряжение сети U₁ должно уравновешиваться э. д. с. Е₁ (падением напряжения в первичной обмотке пренебрегаем). Для этого необходимо, чтобы основной магнитный поток Ф_т оставался неизменным, т. е. постоянным при любой нагрузке трансформатора. Ток I₁ в первичной обмотке должен быть таким, чтобы компенсировать влияние ампер-витков, создаваемых током I₂ во вторичной обмотке. Напряжения на зажимах вторичной обмотки всегда меньше э. д. с. Е₂ вследствие падения напряжения в активном и реактивном сопротивлениях вторичной обмотки.

Для трансформации трехфазного тока применяют трехфазные трансформаторы (трехстержневые), или групповые, которые составляются из трех однофазных.

Создателем первой конструкции трехфазного трансформатора является М. О. Доливо-Добровольский. Ученый применил его при сооружении в 1891 г. первой линии электропередачи трехфазного тока, по тому времени самой большой в мире по мощности и протяженности, осуществленной на расстоянии 178 км при напряжении до 30 000 в.

Трехстержневые трехфазные трансформаторы имеют общую магнитную цепь для всех трех фаз, состоящую из трех вертикальных стержней и двух горизонтальных, связывающих вертикальные стержни (рис. 2). Каждый вертикальный стержень 1, 2 и 3 с двумя обмотками I и II представляет собой однофазный трансформатор. Одна из обмоток является первичной,а другая — вторичной. Процессы, происходящие в каждой фазе трехфазного трансформатора, не отличаются от процессов в однофазном трансформаторе.

При этом в любой момент времени основной магнитный поток каждой фазы равен алгебраической сумме магнитных потоков двух других фаз.

Первичные, а также вторичные обмотки могут соединяться между собой звездой:

При передаче энергии из первичной обмотки трансформатора во вторичную часть мощности расходуется: на нагревание стального сердечника (гистерезис и вихревые токи), на нагревание первичной и вторичной обмоток (тепло Ленца).

Мощность, расходуемая на нагревание стального сердечника, называется потерями в стали и обозначается Р_ст.

Мощность, расходуемая на нагревание обмоток, называется потерями в меди и обозначается Р_м.

Отношение мощности Р₂, отдаваемой вторичной обмоткой потребителям тока (вторичная мощность), к мощности Р₁ подводимой к первичной обмотке (первичная мощность), называется коэффициентом полезного действия(к. п. д.) трансформатора:

— мощность, отдаваемая трансформатором.

Коэффициенты полезного действия трансформаторов достигают весьма высоких значений. К. п. д. некоторых мощных трансформаторов составляет 98—99%.

Трансформаторы, обычно применяемые в береговых установках, погружают в бак со специальным трансформаторным маслом. Масло имеет большую теплоемкость, чем воздух, лучше отводит теплоту и является хорошим изоляционным материалом. Масло повышает электрическую прочность изоляции обмоток трансформатора. Поэтому масляные трансформаторы имеют меньшие габариты, чем воздушные той же мощности и с таким же напряжением. Стенки бака для лучшей теплоотдачи изготовляются из волнистого железа; иногда к баку пристраивается специальный радиатор.

Трансформатор, имеющий только одну обмотку, часть которой является общей для первичной и вторичной цепи, называется автотрансформатором (рис. 3, б).

Первичная обмотка (рис. 3, а) — витки w₁ (участок обмотки 1—3), а вторичная — витки w₂ (участок обмотки 1′ — 2′).

В общей части обмотки 1—2 ток равен разности I₂ — I₁, так как в автотрансформаторе вторичная обмотка совмещена с первичной.

называется коэффициентом трансформации автотрансформатора.

Преимуществами автотрансформатора (по сравнению с трансформатором) являются уменьшение сечения общей части обмотки, больший к. п. д. и меньший вес.

Наряду с указанными достоинствами автотрансформатор имеет существенный недостаток, а именно: возможность проникновения высокого напряжения в сеть низкого напряжения, так как первичные обмотки имеют электрическое соединение; поэтому автотрансформаторы применяются главным образом в установках низкого напряжения.

Трансформаторы, предназначенные для береговых и общепромышленных установок, отличаются от судовых. Обычно трансформаторы мощностью свыше 10 кВА, применяемые в береговых установках, погружают в бак, наполненный специальным трансформаторным маслом.

Для установки на судах отечественная промышленность выпускает специальные типы судовых трансформаторов — однофазные и трехфазные. Все судовые трансформаторы имеют естественное воздушное охлаждение. Масляные трансформаторы, несмотря на их преимущества, на судах не применяют, так как масло обладает горючестью и может выплескиваться при качке.

Однофазные судовые трансформаторы выпускаются мощностью до 10,5 кВА, а трехфазные — до 50 ква.

Первичное напряжение их равно 400, 230 и 133 в (последнее только для однофазных трансформаторов), а вторичное — 230, 133, 115 и 25 в.

Для возможности регулирования вторичного напряжения первичная обмотка трансформатора имеет несколько выводов. У трансформаторов для номинального первичного напряжения 380 в эти выводы соответствуют напряжению сети 400, 390, 380 и 370 в, а у трансформатора на 220 в — 230, 225, 220 и 215 в.

Если при номинальном напряжении первичной сети к ней будет подключена более высокая ступень напряжения первичной обмотки (например 400 или 390 в при номинале 380 в), то на вторичной стороне трансформатора напряжение будет ниже номинального. При подключении на первичной стороне более низкой ступени, чем номинальное напряжение, на вторичной стороне получим напряжение выше номинального.

Судовые трансформаторы выпускаются для установки на открытых палубах и для установки в закрытых помещениях.

Изоляция их рассчитана на длительное пребывание в условиях большой влажности окружающей среды.

Все судовые трансформаторы выпускаются в гладких, закрытых металлических кожухах, снабженных лапами с отверстиями для крепления трансформаторов болтами к палубе или переборкам.