Трансформаторы предназначены для преобразования в цепях переменного тока

Трансформаторы: назначение, классификация, номинальные данные трансформаторов

Трансформаторы — электромагнитные статические преобразователи электрической энергии. Трансформаторами называются электромагнитные аппараты, служащие для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при той же частоте и для передачи электрической энергии электромагнитным путем из одной цепи в другую.

«Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной — первичной — системы переменного тока в другую — вторичную той же частоты, имеющую в общем случае другие характеристики, в частности другое напряжение и другой ток» (Пиотровский Л. М. Электрические машины).

Основное назначение трансформаторов — изменять напряжение переменного тока. Трансформаторы применяются также для преобразования числа фаз и частоты.

Трансформаторами тока называются аппараты, предназначенные для преобразования тока любой величины в ток, допустимый для измерений нормальными приборами, а также для питания различных реле и обмоток электромагнитов. Число витков вторичной обмотки трансформатора тока w2 > w1.

Особенностью трансформаторов тока является их работа в режиме, близком к короткому замыканию, так как их вторичная обмотка всегда замкнута на небольшое сопротивление.

Трансформаторами напряжения называются аппараты, предназначенные для преобразования переменного тока высшего напряжения в переменный ток низшего напряжения и питания параллельных катушек измерительных приборов и реле. Принцип действия и устройства трансформаторов напряжения аналогичен принципу работы силовых трансформаторов. Число витков вторичной обмотки w2 < w1, так как все измерительные трансформаторы напряжения – понижающего типа.

Принцип действия трансформаторов напряжения:

Особенность работы измерительного трансформатора напряжения заключается в том, что его вторичная обмотка всегда оказывается замкнутой на большое сопротивление, и трансформатор работает в режиме, близком к режиму холостого хода, так как подключаемые приборы потребляют незначительный ток.

Наибольшее распространение имеют силовые трансформаторы напряжения , которые выпускаются электротехнической промышленностью на мощности свыше миллиона киловольт-ампер и на напряжения до 1150 — 1500 кВ.

Конструкция силового трансформатора:

Для передачи и распределения электрической энергии необходимо повысить напряжение турбогенераторов и гидрогенераторов, установленных на электростанциях, с 16 — 24 кВ до напряжений 110, 150, 220, 330, 500, 750 и 1150 кВ, используемых в линиях передачи, а затем снова понизить до 35; 10; 6; 3; 0,66; 0,38 и 0,22 кВ, чтобы использовать энергию в промышленности, сельском хозяйстве и быту.

Так как в энергетических системах имеет место многократная трансформация, мощность трансформаторов в 7 — 10 раз превышает установленную мощность генераторов на электростанциях.

Силовые трансформаторы в выпускаются в основном на частоту 50 Гц.

Трансформаторы малой мощности широко используются в различных электротехнических установках, системах передачи и переработки информации, навигации и других устройствах. Диапазон частот, на которых могут работать трансформаторы, — от нескольких герц до 105 Гц.

По числу фаз трансформаторы делятся на однофазные, двухфазные, трехфазные и многофазные. Силовые трансформаторы выпускаются в основном в трехфазном исполнении. Для применения в однофазных сетях выпускаются однофазные трансформаторы.

Классификация трансформаторов по числу и схемам соединения обмоток

Трансформаторы имеют две или несколько обмоток, индуктивно связанных друг с другом. Обмотки, потребляющие энергию из сети, называются первичными . Обмотки, отдающие электрическую энергию потребителю, называются вторичными .

Многофазные трансформаторы имеют обмотки, соединенные в многолучевую звезду или многоугольник. Трехфазные трансформаторы имеют соединение в трехлучевую звезду и треугольник.

Схемы соединения обмоток силовых трансформаторов:

Повышающие и понижающие трансформаторы

В зависимости от соотношения напряжений на первичной и вторичной обмотках трансформаторы делятся на повышающие и понижающие . В повышающем трансформаторе первичная обмотка имеет низкое напряжение, а вторичная — высокое. В понижающем трансформаторе , наоборот, вторичная обмотка имеет низкое напряжение, а первичная — высокое.

Трансформаторы, имеющие одну первичную и одну вторичную обмотки, называются двухобмоточными . Достаточно широко распространены трехобмоточные трансформаторы , имеющие на каждую фазу три обмотки, например две на стороне низкого напряжения, одну — на стороне высокого напряжения или наоборот. Многофазные трансформаторы могут иметь несколько обмоток высокого и низкого напряжения.

Классификация трансформаторов по конструкции

По конструкции силовые трансформаторы делят на два основных типа — масляные и сухие .

В масляных трансформаторах магнитопровод с обмотками находится в баке, заполненном трансформаторным маслом, которое является хорошим изолятором и охлаждающим агентом.

Сухие трансформаторы охлаждаются воздухом. Они применяются в жилых и промышленных помещениях, в которых эксплуатация масляного трансформатора является нежелательной. Трансформаторное масло является горючим, и при нарушении герметичности бака масло может повредить другое оборудование. Подробнее про этот вид трансформаторов читайте здесь: Сухие трансформаторы

В соответствии с нормативными документами особенности конструкции трансформатора отражаются в обозначении его типа и систем охлаждения.

• Автотрансформатор (для однофазных О, для трехфазных Т) — А
• Расщепленная обмотка низшего напряжения — Р
• Защита жидкого диэлектрика с помощью азотной подушки без расширителя — З
• Исполнение с литой изоляцией — Л
• Трех обмоточный трансформатор — Т
• Трансформатор с РПН — Н
• Сухой трансформатор с естественным воздушным охлаждением (обычно вторая буква в обозначении типа), либо исполнение для собственных нужд электростанций (обычно последняя буква в обозначении типа) — С
• Кабельный ввод — К
• Фланцевый ввод (для комплектных ТП) — Ф

Силовой масляный трансформатор ТМ-160 (250) кВА

Системы охлаждения сухих трансформаторов:

• Естественное воздушное при открытом исполнении — С
• Естественное воздушное при защищенном исполнении — СЗ
• Естественное воздушное при герметичном исполнении — СГ
• Воздушное с принудительной циркуляцией воздуха — СД

Системы охлаждения масляных трансформаторов:

• Естественная циркуляция воздуха и масла — М
• Принудительная циркуляция воздуха и естественная циркуляция масла — Д
• Естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла с ненаправленным потоком масла — МЦ
• Естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла с направленным потоком масла — НМЦ
• Принудительная циркуляция воздуха и масла с ненаправленным потоком масла — ДЦ
• Принудительная циркуляция воздуха и масла с направленным потоком масла — НДЦ
• Принудительная циркуляция воды и масла с ненаправленным потоком масла — Ц
• Принудительная циркуляция воды и масла с направленным потоком масла — НЦ

Системы охлаждения трансформаторов с негорючим жидким диэлектриком:

• Охлаждение жидким диэлектриком с принудительной циркуляцией воздуха — НД
• Охлаждение негорючим жидким диэлектриком с принудительной циркуляцией воздуха и с направленным потоком жидкого диэлектрика — ННД

Наряду с трансформаторами широко применяются автотрансформаторы, в которых имеется электрическая связь между первичной и вторичной обмотками. При этом мощность из одной обмотки автотрансформатора в другую передается как магнитным полем, так и за счет электрической связи. Автотрансформаторы строятся на большие мощности и высокие напряжения и применяются в энергосистемах, а также используются для регулирования напряжения в установках небольшой мощности.

Номинальные данные трансформаторов

Номинальные данные трансформатора, на которые он рассчитан с заводской гарантией на 25 лет указываются в паспортной табличке трансформатора :

• номинальная полная мощность Sном, КВ-А,
• номинальное линейное напряжение U л.ном, В или кВ,
• номинальный линейный ток I л.ном. А,
• номинальная частота f , Гц,
• число фаз,
• схема и группа соединения обмоток,
• напряжение короткого замыкания Uк, %,
• режим работы,
• способ охлаждения.

В табличке приводятся также данные, необходимые для монтажа: полная масса, масса масла, масса выемной (активной) части трансформатора. Указываются тип трансформатора в соответствии с ГОСТ на марки трансформаторов и завод-изготовитель.

Номинальная мощность однофазного трансформатора Sном= U1 ном I1 ном, a трехфазного

где U1 лном, U1 фном, I1 лном и I1 фном — соответственно номинальные линейные и фазные значения напряжений и токов.

Номинальными напряжениями трансформатора являются линейные напряжения при холостом ходе на первичной и вторичной обмотках трансформатора. За номинальные токи первичной и вторичной обмоток трансформатора принимаются токи, рассчитанные по номинальной мощности при номинальных первичных и вторичных напряжениях.

Ввиду общности конструкции и методов расчета к трансформаторам могут быть отнесены реакторы, дроссели насыщения и сверхпроводящие индуктивные накопители.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Применение трансформаторов

Трансформатор используется для повышения или понижения напряжения в электрической цепи переменного тока. Трансформатор можно использовать для преобразования переменного тока в постоянный.

Наиболее важными видами применения и применения трансформатора являются:

• изменение уровня напряжения или тока (когда напряжение увеличивается, ток уменьшается и наоборот) в цепи переменного тока
• изменение значения конденсатора, индуктора или сопротивления в цепи переменного тока
• предотвращение перехода постоянного тока из одной цепи в другую
• изолирование двух цепей

Основное применение трансформатора заключается в повышении (увеличении) или понижении (уменьшении) уровня напряжения.

Трансформаторы также применяются для:

• повышения уровня напряжения на стороне генерации перед передачей и распределением.
• для коммерческого или бытового использования электроэнергии, трансформатор понижает (декрирует) уровень напряжения, например, от 11 кв до 220 В однофазного и 440 В трехфазного.

Типы трансформаторов, основанные на использовании

Существует также несколько типов трансформаторов, которые работают в определенной области. Как в электронике, так и в электротехнике несколько специализированных трансформаторов используются в качестве понижающего или повышающего трансформатора в зависимости от области применения трансформаторов. Таким образом, трансформаторы могут быть классифицированы следующим образом в зависимости от использования:

Трансформаторы, используемые в силовой области

В электротехнике область мощности имеет дело с производством, измерением и распределением энергии. Однако это очень большая область, где трансформаторы являются важной частью для обеспечения безопасного преобразования энергии и успешной доставки энергии на подстанцию и конечным потребителям. Трансформаторы, которые используются в области питания, могут быть как наружными, так и внутренними.

Силовые трансформаторы имеют большие размеры и используются для передачи энергии на подстанцию или в общественное электроснабжение. Этот трансформатор действует как мост между генератором энергии и первичной распределительной сетью. В зависимости от номинальной мощности и технических характеристик силовые трансформаторы могут быть далее классифицированы на три категории: Малые силовые трансформаторы, средние силовые трансформаторы и большие силовые трансформаторы. Номинальная мощность может быть более 30 кВА для 500-700 кВА или в некоторых случаях может быть равна или больше 7000 кВА для небольшого номинального силового трансформатора.

• Силовой трансформатор

Из-за очень высокой выработки электроэнергии строительство силового трансформатора также имеет решающее значение. Конструкция включает в себя прочную изолирующую периферию и хорошо сбалансированную систему охлаждения. Наиболее распространенные силовые трансформаторы заполнены маслами.

Основной принцип работы силового трансформатора заключается в преобразовании низковольтного высокого тока в высоковольтный низкий ток. Это необходимо для минимизации потерь мощности в системе распределения электроэнергии.

Еще одним важным параметром для силового трансформатора является наличие фазы. Обычно силовые трансформаторы работают в трехфазной системе, но в некоторых случаях используются также однофазные малые силовые трансформаторы. Трехфазные силовые трансформаторы являются наиболее дорогостоящими и эффективными, чем однофазные силовые трансформаторы.

• Измерительный трансформатор

Измерительный трансформатор используется для изоляции основной мощности и преобразования тока и напряжения в меньшем соотношении к его вторичному выходу. Измеряя выход, можно измерить фазу, ток и напряжение фактической линии электропередачи.

• Распределительный трансформатор

Распределительные трансформаторы – это понижающий трансформатор, который преобразует высокое сетевое напряжение в требуемое конечным потребителем напряжение. Он также может быть однофазным или трехфазным.

Распределительные трансформаторы могут быть дополнительно классифицированы в зависимости от типа используемой изоляции. Он может быть сухого типа или может быть погружен в жидкость. Он изготовлен с использованием ламинированных стальных пластин, в основном выполненных в форме буквы С в качестве основного материала.

Распределительный трансформатор также имеет другой тип классификации, основанный на месте его использования. Трансформатор может быть установлен на коммунальном столбе, если это так,то его называют полюсным распределительным трансформатором. Он может быть размещен внутри подземной камеры, установлен на бетонной площадке (на площадке установлен распределительный трансформатор) или внутри закрытого стального ящика.

Трансформаторы, используемые в электронике

• Импульсный трансформатор

Это один из наиболее часто используемых трансформаторов на печатных платах, которые производят электрические импульсы постоянной амплитуды. Он используется в различных цифровых схемах, где генерация импульсов необходима в изолированной среде. Поэтому импульсные трансформаторы изолируют первичную и вторичную цепи и распределяют первичные импульсы по вторичной цепи, часто это цифровые логические элементы или драйверы.

• Аудиотрансформатор

Это еще один широко используемый трансформатор в области электроники. Он специально используется в приложениях, связанных со звуком, где требуется согласование импеданса. Аудиотрансформатор уравновешивает схему усилителя и нагрузки, как правило, громкоговорителя. Аудиотрансформатор может иметь несколько первичных и вторичных катушек, разделенных или центрированных.

Физика. 11 класс

§ 9. Преобразование переменного тока. Трансформатор

Для использования переменного тока на производстве и в быту необходимо уметь изменять его параметры в соответствии с запросами того или иного потребителя. Для этого созданы специальные устройства, позволяющие повышать или понижать напряжение в электрической цепи. Как они устроены? Почему категорически запрещено находиться в помещении, предназначенном для работы только такого устройства?

Генераторы переменного тока создают в расчете на определенные значения напряжения. Для практического использования электрической энергии во всевозможных устройствах и приборах необходимы различные значения напряжений. Для этого используются трансформаторы (от лат. transformo — преобразую).

Первую модель (прототип) трансформатора создал в 1831 г. Майкл Фарадей, намотав на железное кольцо две изолированные обмотки, которые использовал в своих экспериментах. В 1878 г. русский ученый Павел Николаевич Яблочков впервые использовал трансформатор для изменения напряжения питания изобретенных им источников света — «электрических свечей».

Трансформатор (рис. 65, а) — это электромагнитное устройство, преобразующее переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения с сохранением его частоты.

Трансформатор, увеличивающий напряжение, называют повышающим, а уменьшающий — понижающим. Схематическое изображение и условное обозначение трансформатора на электрических схемах показаны, соответственно, на рисунке 65 б, в.

Самый простой трансформатор состоит из двух обмоток (катушек), надетых на общий замкнутый сердечник (см. рис. 65, а). Обмотка трансформатора, на которую подается переменное напряжение, называется первичной, а обмотка, с которой снимается преобразованное переменное напряжение, — вторичной. Число витков в первичной обмотке трансформатора обозначим N₁, а во вторичной — N₂.

Обмотки трансформатора могут быть расположены на сердечнике различным образом (рис. 66).

Принцип действия трансформа­тора основан на явлении электромагнитной индукции. Магнитное поле, создаваемое переменным током в первичной обмотке (см. рис. 65, а), благодаря наличию замкнутого сер­дечника практически без потерь (без рассеяния) пронизывает витки вторичной обмотки. Для этого сердечник изготовляется из спе­циального (ферромагнитного) материала, что позволяет создаваемое током в обмотках поле практически полностью локализовать внутри сердечника. В результате магнитный поток практически существует только внутри сердечника и одинаков во всех сечениях. Это позволяет считать мгновенные значения магнитных потоков во всех сечениях сердечника одинаковыми.

Пусть первичная обмотка трансформатора подключена к источнику тока с переменной ЭДС и на нее подается напряжение U₁. Если пренебречь потерями магнитного потока в сердечнике, то согласно закону Фарадея ЭДС индукции, возникающая в каждом витке вторичной обмотке, будет такой же, как ЭДС индукции в каждом витке первичной обмотки. Следовательно, отношение ЭДС в первичной ℰ₁ = и вторичной ℰ₂ = обмотках равно отношению числа витков в них:

где e — значение ЭДС индукции в одном витке.
Вследствие малости электрических сопротивлений обмоток, напря­жения на них можно считать:

U1≈ℰ1, U2≈ℰ2 .

(2)

Из соотношения (2) следует:

т. е. значение напряжения U₂ на вторичной обмотке пропорционально зна­чению напряжения U₁ на первичной обмотке.
Как следует из выражения (3), в зависимости от отношения числа витков в обмотках напряжение U₂ может быть как больше напряжения U₁ (трансформатор повышающий), так и меньше его (трансформатор понижающий).
Тип трансформатора определяется коэффициентом трансформации, который равен отношению числа витков первичной катушки к числу витков вторичной:

Как следует из соотношения (4), при k > 1 напряжение на вторичной обмотке будет меньше напряжения на первичной ( U₂U₁) . Значит, в этом случае трансформатор будет понижающим. Соответственно, при k < 1 трансформатор будет повышающим.

Режимом холостого хода трансформатора называется режим с разомкнутой вторичной обмоткой. В этом случае напряжение на вторичной обмотке равно индуцируемой в ней ЭДС:

Рабочим ходом (режимом) трансформатора называется режим, при котором в цепь его вторичной обмотки включена некоторая нагрузка. Включение нагрузки во вторичную цепь трансформатора приводит к появлению в ней тока. Согласно правилу Ленца магнитный поток, создаваемый током во вторичной обмотке, стремится скомпенсировать изменение магнитного потока через витки вторичной обмотки, а значит, и через витки первичной обмотки. Это приводит к тому, что после включения нагрузки действующее значение силы тока в первичной обмотке увеличивается таким образом, чтобы суммарный магнитный поток через первичную обмотку достиг прежней величины.

Согласно закону сохранения энергии мощность тока, выделяемая в цепи вторичной обмотки трансформатора, поступает из цепи его первичной обмотки. Пренебрегая потерями энергии, связанными с нагреванием обмоток и работой на перемагничивание сердечника, которые в современных трансформаторах не превышают 2 %, можем записать, что мощности тока в цепях обеих обмоток трансформатора практически одинаковы:

Таким образом, повышая в несколько раз напряжение, во столько же раз мы уменьшаем силу тока.

Режимом короткого замыкания называется режим, при котором вторичная обмотка трансформатора замкнута без нагрузки. Данный режим опасен для трансформатора, поскольку в этом случае действующее значение тока во вторичной обмотке максимально и происходят электрическая и тепловая перегрузки системы.

При работе трансформатора всегда имеются энергетические потери, связанные с такими физическими процессами, как:

— нагревание обмоток трансформатора при прохождении электрического тока;

— работа по перемагничиванию сердечника;

— рассеяние магнитного потока.

Наиболее значительные энергетические потери при работе трансформатора обусловлены тепловым действием вихревых токов (токов Фуко), возникающих в сердечнике при изменении магнитного потока.

Для уменьшения тепловых потерь сердечники (магнитопроводы) трансформаторов изготовляют не из сплошного куска металла, а из тонких пластин специальной трансформаторной стали, разделенных тончайшими слоями диэлектрика (пластины покрывают лаком). Такая конструкция сердечника позволяет значительно увеличить его электрическое сопротивление, что приводит к уменьшению потерь на его нагревание.

Для предотвращения перегрева мощных трансформаторов используется масляное охлаждение (рис. 67).

Современные трансформаторы являются уникальными устройствами, так как имеют очень высокие КПД (до 98 — 99 %), т. е. работают практически без потерь.

Трансформатор. Что такое? Зачем нужен?

Электрический трансформатор – это устройство для изменения напряжения в цепи переменного тока. Принцип его действия основан на явлении электромагнитной индукции.

При подключении первичной обмотки к цепи переменного тока в ней возникает магнитное поле, вызывающее ЭДС во вторичной обмотке. Отношение ЭлектроДвижущей Силы первичной обмотки к ЭДС вторичной обмотки пропорционально количеству витков и называется коэффициентом трансформации.

• по назначению (трансформаторы тока, напряжения, защитные, промежуточные, лабораторные);
• по числу ступеней (одноступенчатые, многоступенчатые);
• по способу установки (наружные, внутренние, стационарные, опорные, шинные, переносные);
• по номинальному напряжению (высоковольтные, низковольтные).

Основные типы трансформаторов:

• силовые трансформаторы – предназначены для изменения энергии переменного тока в сетях освещения, энергосистем, питания электрооборудования;
• измерительные трансформаторы – нужны для изменения уровня напряжения с высокой точностью трансформации;
• автотрансформаторы – обмотки соединены гальванически между собой, имеют меньший коэффициент трансформации, меньшую стоимость и габариты;
• импульсные трансформаторы – применяются для изменения импульсов тока или напряжения;
• пик-трансформаторы – изменяют напряжение синусоидальной формы в импульсное напряжение со сменой полярности.

Как выбрать правильный трансформатор тока для электросчетчика?

Сегодня мы разберемся в том, как же правильно подобрать трансформатор тока ТТИ для электросчетчика. Что же необходимо учесть, чтобы оборудование работало корректно и соответствовало всем установленным нормам и стандартам?

Для этого нам с вами нужно в первую очередь точно знать целевое назначение и номинальную нагрузку.

Счетчики трансформаторного включения с применением измерительных трансформаторов используются с потребляемым током более 100 ампер. При выборе трансформатора следует учитывать такие критерии:

• номинальное напряжение трансформатора тока;
• класс точности (для коммерческого учета – 0,5s, а для технического учета допустимо – 1,0);
• номинальный ток вторичной обмотки (чаще всего это 5 А);
• номинальный ток первичной обмотки (самый важный показатель, на нем остановимся подробнее).

Выбор номинального тока первичной обмотки

Номинальный ток первичной обмотки трансформатора определяет коэффициент трансформации. Коэффициентом трансформации называется отношение номинального тока первичной обмотки к номинальному току вторичной обмотки.

Коэффициент трансформации необходимо выбирать согласно с расчетной нагрузкой и учитывать работу в аварийном режиме.

Согласно ПЭУ допускается применение трансформаторов с завышенным коэффициентом трансформации, если при максимальной нагрузке ток во вторичной обмотке будет составлять не менее 40% номинального тока счетчика, а при минимальной – не менее 5%.

Еще встречается такая норма: при 25% присоединяемой мощности, ток во вторичной обмотке должен быть не менее 10% от номинального тока счетчика.

Рассмотрим способ проверки на примере соответствия измерительного трансформатора Т-066 200/5 (коэффициент трансформации – 40), электроустановке с нагрузкой 140А (минимальная нагрузка – 14А).

140/40=3,5А – ток вторичной обмотки при номинальном токе.

5*40/100=2A – минимальный ток вторичной обмотки при номинальном токе.

По этой же формуле считаем ток вторичной обмотки при минимальном токе и минимальный ток во вторичной обмотке при минимальном токе: 14/40=0,35A, 5*5/100=0,25A, 0,35A > 0,25A – требование выполнено. И по аналогичной схеме считаем для 25% нагрузки: в данном случае 25% от 140 = 35А, 35/40=0,875A, 5*10/100=0,5A, 0,875A > 0,5A, требование выполнено.

Значит трансформатор Т-066 200/5 для нагрузки 140 ампер выбран правильно, коэффициент трансформации не завышен. Также рекомендуем воспользоваться информацией по общим техническим условиям трансформаторов тока в ГОСТ 7746-2001.