Все о трансформаторах - принцип работы, характеристики, свойство и применение

Оглавление

Трансформаторы. Режимы работы

Трансформатор, как любое электромагнитное устройство, имеет несколько устойчивых режимов, в которых может (и должен) работать неограниченно долго.

Режимы работы трансформатора

Существует пять характерных режимов работы трансформатора:

Рабочий режим;
Номинальный режим;
Оптимальный режим;
Режим холостого хода;
Режим короткого замыкания;

Рабочий режим

Режим характеризуется следующими признаками:

Напряжение первичной обмотки близко к номинальному значению или равно ему \(\dot_1 ≈ \dot_\);
Ток первичной обмотки меньше своего номинального значения или равен ему \(\dot_1 ≤ \dot _1ном\).

В рабочем режиме эксплуатируются большинство трансформаторов. Например, силовые трансформаторы работают с напряжениями и токами обмоток отличными от номинальных. Так происходит из-за переменчивого характера их нагрузки.

Измерительные, импульсные, сварочные, разделительные, выпрямительные, вольтодобавочные и другие трансформаторы, также обычно эксплуатируются в рабочем режиме просто из-за того, что напряжение сети к которой они подключены отличается от номинального.

Номинальный режим работы

Характерные признаки режима:

Напряжение первичной обмотки равно номинальному \(\dot_1 = \dot_\);
Ток первичной обмотки равен номинальному \(\dot_1 = \dot _\).

Номинальный режим работы является частным случаем рабочего режима. В таком режиме могут работать все трансформаторы, но как правило, с бóльшими в сравнении с рабочим режимом потерями и как следствие, с меньшим КПД (коэффициентом полезного действия). Из-за этого при эксплуатации трансформатора его избегают.

Оптимальный режим работы

Режим характеризуется условием:

Где \(P_\) — потери холостого хода; \(P_\) — потери короткого замыкания; \(k_\) — коэффициент нагрузки трансформатора, определяемый по формуле:

Где \(P_2\) — ток нагрузки вторичной обмотки; \(P_\) — номинальный ток вторичной обмотки.

В оптимальном режиме работы трансформатор работает с максимальным КПД, поэтому выражение (1) по существу представляет собой условие максимального КПД (Смотри «Трансформаторы. Оптимальный режим работы»).

Режим холостого хода

Характерные признаки режима:

Вторичная обмотка трансформатора разомкнута или к ней подключена нагрузка с сопротивлением гораздо большим сопротивления номинальной нагрузки обмотки (1) трансформатора;
К первичной обмотке приложено напряжение \(\dot_ = \dot_\);
Ток вторичной обмотки \(\dot_2 ≈ 0\) (для трехфазного трансформатора — \(\dot _ ≈ \dot_ ≈ 0\).

На рисунке 1 изображена схема опыта холостого хода однофазного, а на рисунке 2 — трехфазного двухобмоточных трансформаторов.

Рисунок 1 — Схема опыта холостого хода однофазного двухобмоточного трансформатора

Рисунок 2 — Схема опыта холостого хода трехфазного двухобмоточного трансформатора

По существу в режиме холостого хода трансформатор представляет собой катушку на магнитопроводе, к которой подключен источник напряжения. Режим холостого хода является рабочим для трансформаторов напряжения. Кроме того, этот режим служит для определения тока \(i_х\), мощности \(ΔQ_хх\) холостого хода и ряда других параметров (смотри «Опыт холостого хода трансформатора»).

ПримечаниеПод сопротивлением номинальной нагрузки обмотки понимается величина \(R_\), равная отношению номинального напряжения обмотки \(U_\) к её номинальному току обмотки \(I_\)

Контроль работы устройства

Во время сервисных работ строго запрещается заглядывать внутрь бака, сливать полностью масла и проводить какие-либо манипуляции с содержимым корпуса трансформатора. Работоспособность изделия проверяется путем химической оценки пробы масла и холостого подключения аппарата. В результате удается узнать, насколько трансформатор работоспособен в данный момент времени.

Даже к месту монтажа привозят уже готовую конструкцию, которую остается только подключить к сети. Заливка маслом производится на заводе, не говоря уже о более сложных процедурах. Для доставки оборудования используется специализированная техника.

, для нас это очень важно:

Устройство трансформатора.

2.1. Магнитопровод. Магнитные материалы.

Назначение магнитопровода

заключается в создании для магнитного потока замкнутого пути, обладающего минимальным магнитным сопротивлением. Поэтому магнитопроводы для трансформаторов изготавливают из материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях. Материалы должны иметь малые потери на вихревые токи, чтобы не перегревать магнитопровод при достаточно больших значениях магнитной индукции, быть достаточно дешевыми и не требовать сложной механической и термической обработки.

Магнитные материалы

, используемые для изготовления магнитопроводов, выпускаются в виде отдельных листов, либо в виде длинных лент определенной толщины и ширины и называютсяэлектротехническими сталями . Листовые стали (ГОСТ 802-58) изготавливаются методом горячей и холодной прокатки, ленточные текстурованные стали (ГОСТ 9925-61) только методом холодной прокатки.

Также применяют железноникелевые сплавы с высокой магнитной проницаемостью, например, пермаллой, перминдюр и др. (ГОСТ 10160-62), и низкочастотные магнитомягкие ферриты.

Для изготовления разнообразных относительно недорогих трансформаторов широко применяются электротехнические стали

, имеющие небольшую стоимость и позволяющие трансформатору работать как при постоянном подмагничивании магнитопровода, так и без него. Наибольшее применение нашли холоднокатаные стали, имеющие лучшие характеристики по сравнению со сталями горячей прокатки.

Сплавы с высокой магнитной проницаемостью

применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, предназначенных для работы при повышенных и высоких частотах 50 – 100 кГц.

Недостатком таких сплавов является их высокая стоимость. Так, например, стоимость пермаллоя в 10 – 20 раз выше стоимости электротехнической стали, а пермендюра – в 150 раз. Однако в ряде случаев их применение позволяет существенно снизить массу, объем и даже общую стоимость трансформатора.

Другим их недостатком является сильное влияние на магнитную проницаемость постоянного подмагничивания, переменных магнитных полей, а также низкая стойкость к механическим воздействиям – удар, давление и т.п.

Из магнитомягких низкочастотных ферритов

с высокой начальной проницаемостью изготавливаютпрессованные магнитопроводы , которые применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, работающих на высоких частотах от 50 – 100 кГц. Достоинством ферритов является невысокая стоимость, а недостатком является низкая индукция насыщения (0,4 – 0,5 Т) и сильная температурная и амплитудная нестабильность магнитной проницаемости. Поэтому их применяют лишь при слабых полях.

Выбор магнитных материалов производится исходя из электромагнитных характеристик с учетом условий работы и назначения трансформатора.

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

Первая буква «А» прикреплена за автотрансформаторами. При её отсутствии буквы «Т» и «О» соответствуют трёхфазным и однофазным трансформаторам.
Наличие далее буквы «Р» информирует об устройствах с расщеплённой обмоткой.
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.
Литерой «Т» помечаются трёхобмоточные преобразователи.
Последний знак характеризует особенности трансформатора:

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

Всё про трехфазный трансформатор

Трёхфазный трансформатор используется для преобразования напряжения. Применяется устройство в сфере электрификации промышленного хозяйства и бытовых нужд. Кроме того, такие устройства незаменимы на судах, так как с их помощью осуществляется питание приборов различного номинала.

Расчёт трёхфазного трансформатора производится в соответствии со специальной документацией. На основе полученных данных выбирается нужная комплектация. Используется устройство не только для промышленных нужд, но и в бытовых приборах при производстве электронных схем управления.

Трёхфазный трансформатор может быть понижающим или повышающим, коэффициент преобразуемых величин зависит от числа витков обеих обмоток. Устройство может быть собрано из трёх однофазных аналогов или выполняется на общем сердечнике, сумма магнитных потоков каждой фазы в таком приборе будет равна нулю.

Для промышленных трансформаторов проводится ряд испытаний на соответствие заданным параметрам. Комплекс мероприятий по проверке характеристик устройства включает замеры сопротивления каждой обмотки, проверку изоляции относительно земли и между фазами. Специальным прибором подаётся напряжение на обмотки и проверяется пробивная способность изоляции. Далее на первичную обмотку подаётся напряжение и замеряется величина на выходе. С помощью этого опыта высчитывается коэффициент трансформации.

Результаты замеров должны соответствовать величинам, отражённым в сопутствующей документации, в противном случае трёхфазный трансформатор бракуется

Очень важно понимать, что обвязка и монтаж оборудования для распределительных устройств 110 кВ и выше не допускаются без надзора специалиста с завода, где производилось изготовление. При этом испытания должны проводиться согласно принятым правилам в присутствии компетентного лица

Трансформатор трёхфазный соединяется по схеме «Звезда» или по схеме «Треугольник». Соединение звездой реализуется общим узлом начал всех фаз. Схема в виде треугольника осуществляется последовательным соединением фаз в кольцо: конец первой фазы соединяется с началом второй, конец второй с началом третьей и конец третьей с началом первой.

Если трехфазный трансформатор соединён по схеме «Звезда», то элементы могут выполняться с глухозаземлённой или изолированной нейтралью (так называется узел, соединяющий концы фаз). Для высоковольтных РУ используется специальный зонт, который позволяет заземлять и разземлять нейтраль. Однако в распределительных устройствах для безопасности по 0,4 кВ используется заземлённый ноль.

Для защиты линий электропередач используются трансформаторы напряжения, с помощью которых контролируется питание. Они помогают сориентировать защиту по углам и величинам при наладке дифференциала срабатывания устройств. Чаще всего используются три трансформатора на каждую фазу.

У каждого из них есть не менее двух кернов: один соединяется в разомкнутый треугольник, другой — в звезду. Звезда служит для замера напряжения на линиях, а разомкнутый треугольник необходим как защита от замыкания.

Сегодня выпускаются трансформаторы напряжения с третьим керном под учёт. С его помощью осуществляется подключение счётчиков. Как правило, третий керн тоже соединяется по схеме звезды. Такое отделение цепей контроля от цепей учёта помогает получить более точные показания, так как класс точности керна для счётчика выше.

Силовые трансформаторы

Силовые трансформаторы – это устройства стационарные, которые имеют как минимум две обмотки, использующиеся для преобразования напряжения и тока до необходимого в работе уровня. Как правило, частота преобразованной электроэнергии остается прежней. Силовые трансформаторы состоят из клемм, охладителей и приборов для регулирования уровня выходного напряжения. Кроме того, на такой трансформатор можно установить газовое реле, устройства для сброса давления, защиты от перенапряжений и резкого повышения давления. Также возможна установка на силовые трансформаторы поглотителей влаги и дополнительных трансформаторов тока, расходомеров, индикаторов температуры, давления, уровня масла и горючих газов. Помимо данных устройств, на силовые трансформаторы можно установить полозья или колеса, которые сделают их транспортабельными.

Обычно силовые трансформаторы применяют в случае необходимости увеличить ток и снизить напряжение электроэнергии, идущей от основной электростанции, поэтому силовые трансформаторы используются в различных отраслях промышленности. То есть везде, где применяют устройства, работающие на электроэнергии, а также везде, где жизненно необходимо регулировать параметры электричества, преобразуя ее в электричество нужного тока и напряжения и препятствуя резким скачкам этих параметров.

Силовые масляные трансформаторы

Во многих отраслях народного хозяйства активно используются силовые масляные трансформаторы.
Такой большой спрос на них обуславливается тем, что установить их легко можно как снаружи, так и внутри помещения.
Обмотки силовых масляных трансформаторов отлично защищены от воздействия окружающей среды, за счет чего заметно увеличивается и их срок службы.
Это делает их также надежными и неприхотливыми в процессе эксплуатации.

Есть у силовых масляных трансформаторов и недостаток – он заключается в том, что окружающая среда должна иметь минимум пыли в воздухе.
Кроме того, она должна быть пассивной химически и совершенно невзрывоопасной.
Этот недостаток можно назвать единственным, но при этом он довольно существенный.

Силовые масляные трансформаторы, в которых устанавливается еще маслоуказатель МС, способны выдерживать очень большие нагрузки напряжения.
Использовать трансформаторы можно как в жарком, так и в холодном климате.
Необходимы они с целью понижения напряжения в сети электрической.

Трехфазные и высоковольтные трансформаторы

Могут быть трансформаторы трехфазными и высоковольтными.Высоковольтные трансформаторы отличаются способностью выдерживать достаточно высокую нагрузку.
За счет этого использовать их можно даже на крупных предприятиях.
Их основная работа заключается в том, чтобы от высоковольтной линии преобразовывать ток в более низкие частоты.

Трехфазные трансформаторы способны преобразовывать ток при разных температурах воздуха.
Но в условиях тряски, вибрации или ударов такие трансформаторы использовать запрещено.

Из истории развития трансформатора

Еще в середине XIX в. был предложен ряд индукционных катушек, содержавших идею будущего трансформатора. Катушки предназначались для преобразования постоянного тока одного напряжения в пульсирующий ток (постоянный) другого напряжения, а не для трансформации переменного тока одного напряжения в переменный ток другого.
Основной же элемент новизны индукционных катушек П. Н. Яблочкова заключался в том, что первичная обмотка включалась в питательную сеть переменного тока, а приемники электрической энергии — во вторичную цепь переменного тока (это и есть трансформатор переменного тока). Замкнутый магнитный сердечник в индукционных аппаратах впервые был предложен в 1884 г. братьями Гопкинсонами. В 1885 г. инженеры венгерской фирмы Ганс и К° Т. О. Блати, М. Дери и К

Ципериовский, подчеркнув важность применения замкнутого сердечника, создали однофазный трансформатор с шихтованным сердечником, подобный используемым в настоящее время (рис. 7)

Они же ввели термин «трансформатор».
В том же 1885 г. Дери получил патент на параллельное включение первичных и вторичных обмоток трансформаторов. Д. Свинберн в 1889 г. впервые применил масляное охлаждение, используя керамические сосуды.
В 1889 и 1891 гг. М. О. Доливо-Добровольским были изобретены и построены трехфазные трансформаторы, сперва радиальный, а затем стержневой с расположением стержней в одной плоскости (рис. 8). За период 1876—1891 гг. наметились черты и определились основные элементы конструкции силовых трансформаторов.

Что делает трансформатор

У трансформатора много полезных и важных функций:

Передает электричество на расстояние. Он способен повышать переменное напряжение. Это помогает передавать переменный ток на большие расстояния. Так как у проводов тоже есть сопротивление, от источника тока требуется высокое напряжение, чтобы преодолеть сопротивление проводов. Поэтому, трансформаторы незаменимы в электросетях, где они повышают напряжение до десятки тысяч вольт. Еще возле электростанций, которые вырабатывают электрический ток, стоят распределительные трансформаторы. Они повышают напряжение для передачи их потребителям. А возле потребителей стоит понижающий трансформатор, который уменьшает напряжение до 220 В 50 Гц.

Питает электронику. Трансформатор — это часть блока питания. Он понижает входное сетевое напряжение, которое затем выпрямляется диодным мостом, фильтруется и подается на плату. По сути, он используется практически в любом блоке питания и преобразователе.

Питает радиолампы и электронно-лучевые трубки. Для радиоламп нужен большой спектр напряжений. Это и 12 В и 300 В и др.

Для этих целей и делают трансформаторы, которые понижают и повышают сетевое напряжение. Это делается за счет разных обмоток на одном сердечнике. Разновидностью ламп являются электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). Они используются в электронных микроскопах, где с помощью пучка электронов можно получить детальные изображения микроскопических поверхностей. Для них нужны высокие напряжения, порядка нескольких десятков тысяч киловольт. Это нужно для того, чтобы в вакуумной трубке можно было разогнать пучок электронов до больших скоростей. Электрон в вакууме может повышать скорость своего передвижения за счет повышения напряжения. И здесь, кстати, используется импульсный трансформатор. Он повышает напряжение за счет работы ШИМ (широтно-импульсной модуляции). Такие трансформаторы называются строчными (или развертки).

Это название неспроста, так как такой трансформатор выполняет функцию строчной развертки. По сути кинескоп — это и есть электронно-лучевая трубка. Поэтому, для работы телевизоров, где используется кинескоп, нужен строчный трансформатор.

Согласует сопротивления. В усилителях звука согласование источника и потребителя играет важную роль. Поэтому, есть согласующие трансформаторы, которые позволяют передать максимум мощности в нагрузку. Если бы не было такого трансформатора, то лаповые усилители, которые были рассчитаны на 100 Вт, выдавали бы менее 50 Вт в нагрузку.

Например, выход усилителя 2 кОм, а трансформатор согласует сопротивление и понижает напряжение для щадящей работы динамиков. А на его вторичной обмотке сопротивление всего несколько десятков Ом.

Для безопасности. Трансформатор создает гальваническую развязку между сетью и блоком питания. Это последний рубеж безопасности в блоке питания, если что-то пойдет не так. Будет время для срабатывания предохранителя. Или же катушки и магнитопровод расплавятся, но потребителю не дадут сетевую нагрузку. Он физически не связан с сетью 220 В. Связь есть только с помощью магнитного поля (взаимоиндукции). И если трансформатор рассчитан на 100 Вт, то он сможет выдать только 100 Вт.

Поэтому, потребитель будет защищен от опасных высоких токов. Именно из-за этого бестрансформаторные блоки питания считаются опасными.

Деталь оружия. В электрошокерах используются высокие напряжения. И их помогает форматировать высоковольтный трансформатор. А еще он используется в некоторых схемах Гаусс пушки.

Виды конструкций однофазных трансформаторов

Конструкция однофазного трансформатора может быть выполнены стержневого типа так и броневого или тороидального.

конструкция стержневого трансформатора

Однофазный двух обмоточный трансформатор стержневого типа, представляет собой два стержня на которые располагаются обе обмотки. Объединяет эти стрежни, стальное ярмо, на котором и происходит соединение магнитных потоков двух обмоток.

Тип однофазного броневого трансформатора представляет собой один стержень (сердечник), который как бы бронируется, защищается с обеих сторон ярмом от внешних механических воздействий. Магнитный поток проходящий по ярму броневого меньше в два раз чем в стержне, поэтому ярма делают в два раза меньше, уменьшая тем самым габаритные размеры и вес.

Сборка трансформатора

Собирают магнитопроводы трансформаторов встык или в нахлест.

1- пластины Ш-образного профиля, 2 — пластины прямоугольного профиля, 3 — стержневые шпильки

Сборка внахлест пластины сердечника выполняют одна за другой укладывая их плотно в разных точках разреза полос. Монтаж и демонтаж такого трансформатора более трудоемок, но зато это позволяет сильно уменьшить магнитное сопротивление, снижает реактивные потери на вихревые токи и нагрев стали.

ленточный магнитопровод

Существуют также и ленточные магнитопроводы которые делают из холоднокатаной стали как стержневого типа так броневого типа. Магнитная проницаемость трансформаторной холоднокатаной стали больше чем у горячекатаной, но только при направлении которая совпадает с направлением проката стали. В связи с этим такие трансформаторы собирают внахлестку, уже из лент разной длины (пакеты) и затем соединяют вместе предварительно пропитывая для изоляции жаростойким лаком. Особенность такого трансформаторов, что они обязательно требуют установки изоляционной прокладки на месте стыка двух магнитопроводов или изоляцией лаком. Это предотвращает замыкания пластин, в результате чего не возникает чрезмерный нагрев сердечника трансформатора токами вихревыми. Такой нагрев может приводить к плавлению стали в одну сплошную массу.

Мощные силовые трансформаторы часто делают только стержневыми так у них проще выполнить изоляцию обмоток высшего напряжения от низшего. Трансформаторы малой мощности, сетевые трансформаторы делаю из броневого магнитопровода. Обмотки у броневых трансформаторов располагаются на одном стержне, а не отдельно одна от другой. Как правило, первичная обмотка располагается ближе к сердечнику, а вторичная мотается поверх первой. Токи первичной и вторичной обмотки маломощного трансформатора невелики, так что усиленной изоляцией можно пренебречь.

Буквенные и схематические обозначения трансформатора

На всех электрических схемах трансформатор, равно как и его мощность и другие параметры, изображаются специальными символами и буквами. Само устройство изображается в виде двух проводков с несколькими витками, между которыми находится стержень в виде вертикальной линии.

Условные графические обозначения трансформаторов.

а – трансформатор без магнитопровода с постоянной связью,

б – трансформатор без магнитопровода с переменной связью,

в – трансформатор с магнитодиэлектрическим магнитопроводом,

г – трансформатор, подстраиваемый общим магнитодиэлектрическим магнитопроводом,

д – трансформатор со ступенчатым регулированием,

е – трансформатор однофазный с ферромагнитным магнитопроводом и экраном между обмотками,

ж – трансформатор дифференциальный (с отводом от средней точки одной обмотки),

з – трансформатор однофазный с ферромагнитным магнитопроводом трехобмоточный,

и – трансформатор трехфазный с ферромагнитным магнитопроводом, с соединением обмоток звезда – звезда с выведенной нейтральной (средней) точкой,

к – трансформатор трехфазный с ферромагнитным магнитопроводом, соединение обмоток звезда с выведенной нейтральной (средней) точкой – треугольник,

л – трансформатор трехфазный трехобмоточный с ферромагнитным магнитопроводом, с соединением обмоток звезда с регулированием под нагрузкой – треугольник – звезда с выведенной нейтральной (средней) точкой,

м – в развернутых обозначениях обмоток трансформаторов (Форма 2) допускается наклонное изображение линий связи, например, обмотка трансформатора с соединением обмоток звезда – треугольник,

н – трансформатор трехфазный трехобмоточный (фазорегулятор), соединение обмоток звезда – звезда,

о – трансформатор вращающийся, фазовращатель (обозначение соединения обмоток статора и ротора между собой производится в зависимости от назначения машины),

п – трансформаторная группа из трех однофазных двухобмоточных трансформаторов с соединением обмоток звезда – треугольник.

Что касается буквенных обозначений, то здесь все выглядит так:

О – указывает на однофазное устройство,
Т – трехфазное,
С – воздушный тип охлаждения,
М – масляное охлаждение,
Д – смесь воздушной и масляной системы,
Р – обозначает, что устройство с расщепленной обмоткой,
А – автотрансформатор.

Есть и другие буквенные обозначения, и в целом их очень много.

Устройство и принцип работы трансформаторов