Трансформатор устройство и принцип работы

Принцип работы трансформатора

С открытием и началом промышленного использования электричества возникла необходимость создания систем его преобразования и доставки к потребителям. Так появились трансформаторы, о принципе действия которых и пойдет речь.

Появлению их на свет предшествовало открытие явления электромагнитной индукции великим английским физиком Майклом Фарадеем почти 200 лет назад. Позже он и его американский коллега Д. Генри нарисовали схему будущего трансформатора.

Трансформатор Фарадея

Первое воплощение идеи в железо состоялось в 1848 году с создания индукционной катушки французским механиком Г. Румкорфом. Свою лепту внесли и российские ученые. В 1872 году профессор Московского университета А. Г. Столетов открыл петлю гистерезиса и описал структуру ферромагнетика, а 4 года спустя, выдающийся российский изобретатель П. Н. Яблочков получил патент на изобретение первого трансформатора переменного тока.

Как устроен и как работает трансформатор

Трансформаторы – это название огромного «семейства», куда входят однофазные, трехфазные, понижающие, повышающие, измерительные и множество других типов трансформаторов. Основное их назначение – преобразование одного или нескольких напряжений переменного тока в другое на основе электромагнитной индукции при неизменной частоте.

Итак, кратко, как работает простейший однофазный трансформатор. Он состоит из трех основных элементов – первичной и вторичной обмоток и объединяющего их в единое целое магнитопровода, на который они как бы нанизаны. Источник подключается исключительно к первичной обмотке, в то время, как вторичная снимает и передает уже измененное напряжение потребителю.

Принцип работы трансформатора

Подключенная к сети первичная обмотка создает в магнитопроводе переменное электромагнитное поле и формирует магнитный поток, который начинает циркулировать между обмотками, индуцируя в них электродвижущую силу (ЭДС). Ее величина зависит от числа витков в обмотках. К примеру, для понижения напряжения необходимо, чтобы в первичной обмотке витков было больше, чем во вторичной. Именно по такому принципу работают понижающие и повышающие трансформаторы.

Важная особенность конструкции трансформатора состоит в том, что магнитопровод имеет стальную структуру, а обмотки, как правило имеющие форму цилиндра, изолированы от него, непосредственно не связаны друг с другом и имеют свою маркировку.

Трансформаторы напряжения

Это, пожалуй, наиболее многочисленная разновидность семейства трансформаторов. В двух словах, их основная функция – сделать произведенную на электростанциях энергию доступной для потребления различными устройствами. Для этого существует система передачи электроэнергии, состоящая из повышающих и понижающих трансформаторных подстанций и линий электропередач.

Вначале электроэнергия, произведенная электростанцией, подается на повышающую трансформаторную подстанцию (к примеру, с 12 до 500 кВ). Это необходимо для того, чтобы компенсировать неизбежные потери электроэнергии при передаче на большие расстояния.

Следующий этап – понижающая подстанция, откуда электроэнергия уже по низковольтной линии подается на понижающий трансформатор и далее к потребителю в виде напряжения 220 в.

Но на этом работа трансформаторов не заканчивается. В большинстве окружающих нас бытовых электроприборов — в ПК, телевизорах, принтерах, стиральных машинах-автоматах, холодильниках, микроволновых печах, DVD и даже в энергосберегающих лампочках установлены понижающие трансформаторы. Пример индивидуального «карманного» трансформатора – зарядное устройство мобильного телефона (смартфона).

Гигантскому разнообразию современных электронных устройств и выполняемых ими функций соответствует множество различных типов трансформаторов. Это далеко не полный их список: силовые, импульсные, сварочные, разделительные, согласующие, вращающиеся, трехфазные, пик-трансформаторы, трансформаторы тока, тороидальные, стержневые и броневые.

Какие они, трансформаторы будущего

Считается, что трансформаторная отрасль весьма консервативна. Тем не менее и ей приходится считаться с революционными изменениями в области электротехники, где все громче о себе заявляют нанотехнологии. Как и множество других устройств, они постепенно «умнеют».

Элегазовые трансформаторы

Активно ведется поиск новых конструкционных материалов – изоляционных и магнитных, способных обеспечить более высокую надежность трансформаторного оборудования. Одним из направлений может стать использование аморфных материалов, что значительно повысит его пожарную безопасность и надежность.

Появятся взрыво- и пожаробезопасные трансформаторы, в которых хлордифенилы, используемые для пропитки электроизоляционных материалов, будут заменены нетоксичными жидкими, экологически безопасными диэлектриками.

Элегазовые трансформаторы

Примером тому — элегазовые силовые трансформаторы, где функцию хладагента выполняет негорючий элегаз гексафторид серы, вместо далеко не безопасного трансформаторного масла.

Вопрос времени – создание «умных» электросетей, оснащенных полупроводниковыми твердотельными трансформаторами с электронным управлением, с помощью которых появится возможность регулировать напряжение в зависимости от потребностей потребителей, в частности, подключать к домашней сети возобновляемые и промышленные источники питания, или наоборот отключать лишние, когда в них нет необходимости.

Еще одно перспективное направление – низкотемпературные сверхпроводимые трансформаторы. Работа по их созданию началась еще в 60-е годы. Главная проблема, с которой столкнулись ученые – огромные размеры криогенных систем, необходимых для изготовления жидкого гелия. Все изменилось в 1986 году, когда были открыты сверхпроводниковые высокотемпературные материалы. Благодаря им, появилась возможность отказаться от громоздких охлаждающих устройств.

Трансформатор с полупроводниковым преобразователем

Сверхпроводимые трансформаторы обладают уникальным качеством: при высокой плотности тока потери в них минимальны, зато, когда ток достигает критических значений, сопротивление от нулевого уровня резко увеличивается.

Понравился пост? Есть что сказать? Присоединяйтесь:

Силовые трансформаторы: назначение, устройство, типы и виды

Силовые трансформаторы имеют широкое практическое применение. Эти электромагнитные устройства используют, если нужно увеличить напряжение на стороне нагрузки.

Как работают силовые трансформаторы

Работа силового трансформатора происходит благодаря электромагнитной индукции. При подаче тока на первичную обмотку образуется сцепление между обмотками, вызывая электродвижущую силу. Это способствует появлению переменного магнитного потока в магнитопроводе.

При этом для получения напряжения на вторичной обмотке значение имеет соотношение витков между обмотками силового трансформатора. Это соотношение определяется тем, какую задачу должен решить трансформатор: повысить или понизить напряжение.

Как устроены силовые трансформаторы

Ключевой узел каждого устройства – магнитопровод (сердечник) с двумя и более обмотками. Его изготавливают из стали с высокой магнитной проницаемостью. Он обладает способностью быстро намагничиваться даже в слабых магнитных полях и быстро размагничиваться при отсутствии магнитного поля. Сердечник изготавливают из тонких листов металла таким образом, чтобы стержни были вписаны в окружность.

Обмотки силового трансформатора производят из меди или алюминия. Каждый виток в обмотке изолирован от магнитопровода и других витков обмотки. Между основными элементами так называемой активной части трансформаторов, а именно обмотками, магнитопроводом и другими конструкционными элементами, специально оставляют пространство, чтобы охлаждающая жидкость (масло) могла циркулировать и тем самым отводить тепло от обмоток и магнитопровода. Электрический ток подается на первичную обмотку, а после его преобразования в трансформаторе с вторичной обмотки снимается вторичный ток, отличающийся от первичного на коэффициент трансформации, который зависит от соотношения количества витков в первичной и вторичной обмотках (рис. 1).

Рис. 1. Устройство силового трансформатора: 1 – первичная обмотка с числом витков w₁; 2 – вторичная обмотка с числом витков w₂; 3 – стержень магнитопровода; 4, 5 – ярмо магнитопровода

Основные элементы конструкции силовых трансформаторов

1. Для электрического присоединения обмоток высокого (ВН), среднего (СН) или низкого (НН) напряжения к соответствующим устройствам электрической сети (генераторам, двигателям, линиям электропередач и так далее) на трансформаторах устанавливаются вводы различного типа и конструкционного исполнения. Так, например, вводы на стороне ВН имеют высокое номинальное напряжение, а вводы на стороне НН рассчитаны на высокие номинальные токи, что непосредственно влияет на их конструкцию и размеры.

2. Для регулирования напряжения и, соответственно, тока на первичной и вторичной обмотках трансформатора путем изменения коэффициента трансформации за счет электрического соединения различного количества витков обмоток применяются два типа переключателей. Один из них производит переключение, т.е. регулирование, под нагрузкой (РПН), а другой производит переключение без нагрузки и без напряжения (ПБВ), что означает переключение без возбуждения. Оба типа переключателей, как правило, устанавливаются в обмотках ВН, так как они имеют меньшие значения номинального тока, что особенно важно для РПН из-за необходимости гашения возникающей при переключении дуги меньшей энергии, чем если бы это было на стороне НН.

3. На масляных трансформаторах большой мощности устанавливается масляная система охлаждения. Масляное охлаждение бывает:

• естественное;
• естественное с дутьем;
• принудительное – с направленным движением масла;
• принудительное с дутьем;
• принудительное масляно-водяное.

Дополнительное навесное оборудование

Дополнительное навесное оборудование совершенствует работу силовых трансформаторов (рис. 2). К нему относятся:

1) защита, отключающая трансформатор или подающая оповещающие сигналы, – газовое реле. Принцип действия газового реле для защиты трансформатора основан на контроле давления газа. Реле врезают в маслопровод трансформатора между баком и расширителем. В случае резкого повышения температуры, которое может возникнуть, например, из-за электрического разряда внутри бака трансформатора, начинает разлагаться масло, отчего внутри трансформатора образуется газ. Разогретые газы стремятся попасть в расширитель устройства, проходя через корпус реле;

2) система защиты от повышения давления охладителя, которая работает автоматически;

3) индикаторы температуры – измеряют температуру масла в маслонаполненном оборудовании;

4) прибор, измеряющий уровень масла;

5) система фильтрации и сушки масла;

6) влагопоглотители конденсата, образующегося под крышкой трансформатора, препятствуют его попаданию в масло.

Рис. 2. Дополнительные функции управления, мониторинга и диагностики трансформаторов, применяемые в производстве силовых трансформаторов «Группы СВЭЛ»

Типы и виды силовых трансформаторов

Какие бывают силовые трансформаторы? Силовые трансформаторы можно разделить по различным основаниям.

По количеству фаз выделяют однофазные и трехфазные трансформаторы. Трехфазные используют на подстанциях, они более распространены.

По числу обмоток – двухобмоточные и трехобмоточные трансформаторы.

По задаче или назначению трансформаторы бывают повышающие или понижающие напряжение.

По месту установки – устанавливаемые внутри помещений и устанавливаемые снаружи помещений (рис. 3).

Рис. 3. Трансформатор, установленный на Курской АЭС

По преобразуемому параметру электрического напряжения выделяют силовой трансформатор тока и силовой трансформатор напряжения.

Силовые трансформаторы тока преобразуют силу тока без изменения его мощности.

Силовые трансформаторы напряжения помогают получить нужное напряжение от источника переменного тока, например, промышленной сети.

По виду диэлектрика выделяют сухие силовые трансформаторы (с литой или воздушно-барьерной изоляцией) и силовые маслонаполненные трансформаторы.

Сухие силовые трансформаторы с литой изоляцией (рис. 4) имеют ряд преимуществ:

• компактный размер;
• широкий диапазон допустимых температур (до –60 °С);
• повышенная пожарная и экологическая безопасность;
• пониженный уровень шума;
• простота монтажа;
• устойчивость обмоток к увлажнению и загрязнению.

Рис. 4. Основные элементы конструкции сухих трансформаторов

Трансформатор силовой масляный имеет широкий спектр применения в промышленности. По конструкции он представляет собой корпус (бак) с погруженными в него сердечником и обмотками и заполненный трансформаторным маслом.

• низким уровнем шума;
• отсутствием необходимости подпрессовки обмоток и капремонта в процессе всего срока эксплуатации;
• незначительными добавочными потерями в металлоконструкциях.

«Группа СВЭЛ» имеет площадки по производству сухих и масляных трансформаторов в Екатеринбурге. Все трансформаторы производятся с полным контролем на каждом этапе изготовления, сборки и проверки и соответствуют необходимым стандартам качества.

Принцип действия и устройство трансформатора

Трансформатор – это электротехническое устройство, преобразователь электрической энергии одного напряжения в другое.

Принцип действия трансформатора

Принцип его действия основан на взаимной индукции. Обычно устройство состоит из магнитного сердечника и двух обмоток – первичной и вторичной. Первичная обмотка подключается к сети переменного тока, который, протекая по ней, создает в сердечника магнитный поток (обмотка закручивается вокруг сердечника, образуя витки). Магнитный поток, проходя через все витки, создает ЭДС, что приводит к уменьшению или повышению напряжения и преобразованию тока. После того, как к вторичной обмотке будет подключен приемник, то по ней начнет протекать электрический ток с выходным напряжением. Выходное напряжение всегда будет больше или меньше входного, а точная разница зависит от коэффициента трансформации.

Параллельно в первичной обмотке образуется нагрузочный ток, который суммируется с входным и формирует ток первичной обмотки. Важно, чтобы трансформатор передавал с первичной обмотки на вторичную ток, величина которого совпадает с требованиями приемного устройства.

Устройство трансформаторов

Магнитный сердечник используется для повышения магнитной связи между обмотками двух типов. Обмотки изолируют и друг от друга, и от сердечника. Обмотки бывают высшего и низшего напряжения, но какая будет какой зависит от типа трансформатора. В понижающих трансформаторах первичная обмотка имеет высшее напряжение, а в повышающих – низшее.

Разница между обмотками следующая:

• Первичная обмотка всегда подключается к источнику питания.
• Вторичная обмотка – к приемнику, потребляющему электроэнергию.

Трансформаторы ТМГ 12 и других типов могут использоваться и как понижающие, и как повышающие устройства. Понижающие трансформаторы необходимы для преобразования электрической энергии, поступающей с линий высоковольтных передач или с промышленной сети питания до приемлемых значений, требуемых при эксплуатации оборудования, а повышающие – для передачи электроэнергии на большие расстояния.

Также существуют трансформаторы с тремя обмотками. В таком случае к магнитопроводу крепятся все три обмотки, которые изолированы друг от друга. Одна обмотка подключается к источнику питания, а две другие используются для получения электрического тока разного напряжения, необходимого для питания разных приборов. Самым простым примером такой конструкции можно назвать зарядное устройство, работающее от автомобильного прикуривателя, с двумя портами. Один порт можно выдавать ток 2А, а другой – 5А.

Новости

• 18.11.2021 — CITIUS, ALTIUS, FORTIUS: Эволюция силового масляного трансформатора
• 02.04.2021 — Лицензии на конструирование и изготовление оборудования для атомной энергетики. Истинные ценности и преимущества для компании ООО «Трансформер».
• 01.03.2021 — Стратегия цифровой трансформации электросетей и технологии цифровых двойников силовых трансформаторов

Устройство и принцип действия трансформатора

Трансформатор — это основной элемент всей современной энергосистемы. В этой статье мы расскажем об устройстве и видах трансформаторов, принципе работы и практическом применении.

Что такое трансформатор

Трансформатор — это специальное устройство, придуманное для того, чтобы преобразовывать напряжение и передавать его на большие расстояния без изменения частоты тока.

Трансформатор — это статическое устройство, так как в нем нет движущихся элементов. Работа прибора происходит за счет переменного тока и построена на принципе электромагнитной индукции.

Основными задачами данных устройств являются:

1. Передача электроэнергии на расстояния.
2. Обеспечение необходимой схемы включения в преобразовательных устройствах и согласование напряжения на входе и выходе аппарата.
3. Питание в цепях различных электротехнических, бытовых, теле- и радиоприборов.

Данные аппараты широко используются во всех областях и сферах промышленности, а именно:

• в энергетике;
• в электротехнике;
• в машиностроении;
• на транспорте.

Когда появился, история создания

Создание первого трансформатора связано с именами и разработками ученых из разных стран:

1. Английский физик М. Фарадей в 1831 году открыл явление электромагнитной индукции, которая лежит в основе работы электротрансформатора.
2. Немец Г. Румкорф в 1848 году изобрел индукционную катушку, которая считается прообразом трансформатора.
3. Русский инженер П. Яблочков в 1876 году получил патент на изобретение устройства, которое стало первым трансформатором переменного тока (это был прибор с разомкнутым сердечником).
4. Англичане Д. и Э. Гопкинсоны (братья) в 1884 году создали первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками.
5. Д. Свинберн предложил помещать прибор в сосуд с маслом для охлаждения устройства, что значительно повысило надежность работы трансформатора (конец 1880-х).
6. Трехфазная система переменного тока была запатентована в США в 1888 году Николой Тесла.

В дальнейшем разработки ученых всего мира сводились к тому, чтобы улучшить свойства устройства и уменьшить потери напряжения в приборе.

Устройство и принцип работы трансформатора

Простейший трансформатор состоит из двух обмоток с изолированными проводами, которые намотаны на стальной сердечник, состоящий из нескольких слоев. Переменный ток подводится к одной из обмоток, которую называют первичной. Другая (вторичная) — подсоединяется к нагрузке.

Принцип работы электротрансформатора достаточно прост: когда к первичной обмотке подключают переменный ток, вокруг железного стержня, на который она намотана, появляется магнитное поле. Благодаря электродвижущей силе индукции при подключении вторичной обмотки к нагрузке происходит передача тока.

Маркировка, расшифровка основных параметров

На всех трансформаторы наносится специальная маркировка, которая позволяет определить тип устройства, условия его эксплуатации, номинальную мощность и напряжение. Российские и зарубежные приборы маркируют по-разному. В РФ чаще используют приборы, изготовленные по ГОСТу.

Информация о трансформаторе расположена на металлической пластине на корпусе устройства, наносится с помощью гравировки или тиснения:

• название завода, на котором был изготовлен прибор;
• год изготовления;
• заводской номер;
• номер стандарта, которому соответствует устройство;
• показатель номинальной мощности (для трехфазных трансформаторов указывается для каждой обмотки);
• показатель номинального тока (для всех обмоток);
• количество фаз;
• частота тока;
• схема соединения обмоток;
• требования к установке — внутренняя или наружная;
• способ охлаждения;
• другие сведения, в зависимости от типа охлаждения устройства.

Виды трансформаторов по типу магнитопровода

Магнитопровод — это устройство, которое усиливает магнитные потоки, возникающие от электротока в обмотках трансформаторов.

Магнитопроводы (сердечники) являются неотъемлемыми частями различного электрооборудования: катушек индуктивности, реле и пр.

В современном мире существуют различные конструкции трансформаторов, созданных под определенные цели и передачу напряжения разной мощности.

По типу сердечников устройства бывают:

• стержневого типа (применяются, как правило, для трехфазных трансформаторов);
• броневого типа (для трехфазных приборов);
• тороидального типа (используются в трансформаторах, расположенных в различных электротехнических устройствах).

В стержневом типе используются вертикальные сердечники со ступенчатым сечением, которые образуют окружность с горизонтальными ярмами (часть стержней без обмоток). Обмотки в таких магнитопроводах находятся на вертикальных элементах. Система сердечника представляет собой замкнутую цепь.

В броневом типе сердечники имеют форму прямоугольника в сечении и располагаются в горизонтальном положении. Обмотки также выполнены в прямоугольной форме. Такая конструкция довольно сложная в изготовлении, поэтому используется нечасто, на специальных видах устройств.

В тороидальном (кольцевом) типе используют кольцевые ленточные сердечники. Их применяют для создания силовых однофазных трансформаторов. Сердечники делают из электротехнической стали толщиной 0,3 и 0,35 мм, изготовленной по специальной технологии. Материалом для тороидальных магнитопроводов являются феррит или карбонильное железо. Такие сердечники широко распространены в радиоэлектронике.

Конструкции магнитопроводов отличаются способами соединения сердечников с частью стержней, на которых нет обмотки.

• В стыковом соединении части магнитопроводов собирают раздельно. Сначала на вертикальные сердечники устанавливаются обмотки, затем они соединяются при помощи шпилек с верхними ярмом. Монтируется нижнее горизонтальное ярмо. В такой конструкции можно легко поменять обмотки.
• В шихтованном соединении стержни и ярма представляют собой слоенные плиты. Соединение деталей осуществляется вхождением элементов друг в друга в промежутки между слоями сердечника. Такая конструкция более сложная в сборке.

Классификация трансформаторов

• повышающими (если на вторичной обмотке напряжение больше, чем на первичной);
• понижающими (если на второй катушке напряжение меньше, чем на первой).

Напряжение на первичной и выходной катушках зависит от соотношения количества витков обмоток на них. Чем их больше, тем выше напряжение. Соответственно, если входная обмотка имеет больше витков, чем выходная, на ней будет более высокое напряжение, и наоборот.

Трансформаторы отличаются обширной классификацией по назначению:

1. Силовой. Назначение силовых трансформаторов ясно из названия. В основном это устройства большой мощности, используемые в сетях ЛЭП для преобразования электрической энергии и передачи ее конечному потребителю. Использование таких устройств возможно в высоковольтных трехфазных сетях.
2. Автотрансформатор. Это прибор, в котором первичная и вторичная обмотки соединены между собой напрямую. Такое устройство характеризуется тремя выводами. Трансформаторы данного типа имеют повышенный риск высоковольтного удара по нагрузке. Поэтому они должны быть надежно заземлены.
3. Трансформатор тока или измерительный трансформатор. В таких устройствах первичную обмотку подключают последовательно в электроцепь с другими устройствами и получают гальваническую развязку. Первичная цепь контролируется изменением однофазной нагрузки, а вторичная катушка используется в цепи сигнализации или измерительных приборов. В таком типе устройства вторичная обмотка работает в режиме короткого замыкания.
4. Трансформатор напряжения. Это устройство, понижающее напряжение. Обычно применяется для изоляции цепей защиты измерительных приборов.
5. Импульсный. Это прибор, созданный для преобразования импульсов при обязательном сохранении их формы. Устройство меняет амплитуду и полярность импульсных сигналов, не затрагивая форму.
6. Сварочный. Для работы такого устройства нужен большой сварочный ток, с помощью которого аппарат расплавляет металл. Сетевое напряжение при этом снижено до безопасного уровня.
7. Разделительный. Основной характеристикой такого прибора является отсутствие электрической связи между обводками. Силовые разделительные аппараты используют для повышения безопасности электросетей и для обеспечения гальванической развязки между узлами электроцепей.
8. Согласующий. Такое устройство применяется для согласования сопротивления в электронных схемах. Прибор обеспечивает минимальное искажение сигналов, создает развязки между узлами устройств в электрической цепи.
9. Пик-трансформатор. Аппарат преобразовывает синусоидальный ток в импульсное напряжение. Полярность напряжения на выходе меняется через каждые полпериода.
10. Воздушный. Это силовой трансформатор сухого охлаждения. Такой тип устройств обычно применяется для преобразования напряжения в сети, в том числе и в трехфазных схемах.
11. Масляный. Это силовой трансформатор, у которого охлаждение происходит с помощью специального масла. Такие приборы применяют при большой выходной мощности (выше 6 кВ), чтобы предотвратить разрушение изоляции обмоток вследствие их перегрева.
12. Сдвоенный дроссель. Устройство имеет абсолютно одинаковые катушки, между которыми образуется встречный индуктивный фильтр. Такой прибор эффективнее, чем у дросселя.
13. Вращающийся. Устройство состоит из двух половинок сердечника с катушками, которые вращаются относительно друг друга. Обмен сигналами в приборе происходит при больших скоростях вращения.

Режимы работы трансформаторов

Выделяют 3 основных режима работы трансформаторов:

1. Режим холостого хода, при котором выводы вторичной обмотки разомкнуты, а сопротивление нагрузки приравнивается к бесконечности. Измерение тока, который протекает в первичной обмотке, позволяет рассчитать коэффициент полезного действия трансформатора. При работе трансформатора в таком режиме можно вычислить коэффициент трансформации и потери в сердечнике.
2. Рабочий режим или режим под нагрузкой — это режим, при котором вторичная цепь получает от первичной напряжение, ток и сопротивление.
3. Режим короткого замыкания — это режим, при котором концы вторичной обмотки закорочены, мощность сконцентрирована в цепях обмоток, сопротивление нагрузки равно нулю. В этом состоянии можно определяют потери, которые расходуются на нагревание обмоток.

Столкнулись со сложной темой? Не нужно паниковать! Квалифицированные эксперты Феникс.Хелп готовы помочь в короткие сроки по самым разным дисциплинам.