Принцип работы, устройство и виды трансформаторов

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.

Виды магнитопроводов

Конструкция и принцип работы

Обязательными элементами практически любого устройства преобразования напряжения являются изолированные обмотки, формированные из проволоки или ленты. Они располагаются на магнитопроводе, представленном сердечником из ферромагнитного материала. Связь между катушками осуществляется при помощи магнитного потока. В случае работы с высокочастотными токами (100 и более кГц) сердечник отсутствует.

Принцип работы трансформатора

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&gt,1, то понижающий(если в первичной обмотке меньше витков чем во вторичной).

Также читайте: Что такое автотрансформатор(ЛАТР) Формула по вычислению коэффициента трансформации

где:

• 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:

Виды трансформаторов

Современные трансформаторные устройства имеют множество разновидностей и применяются в самых различных областях.

Силовые трансформаторы

Передача электроэнергии на расстояние осуществляется с помощью силовых трансформаторов. Эти низкочастотные приборы выполняют ее прием и преобразование. Название силовых они получили из-за работы с напряжением, которое может достигать более 1000 киловольт.

В городах такие трансформаторы понижают напряжение до 0,4 кВ, превращая в 380 или 220 вольт, необходимых для нормального потребления. Эти устройства оборудуются двумя, тремя и более обмоток, что позволяет одновременно преобразовывать напряжение сразу с нескольких генераторов. Нормальный температурный баланс поддерживается с помощью трансформаторного масла, а в особо мощных приборах дополнительно установлена система активного охлаждения.

Сетевые трансформаторы

До недавнего времени практически во всех электрических приборах устанавливались сетевые однофазные трансформаторы. С помощью этих устройств, обычное напряжение сети в 220 вольт снижалось до необходимого уровня в 5, 12, 24 и 48 В.

В сетевых трансформаторах практиковалась установка сразу нескольких вторичных обмоток. Такая конструкция обеспечивала питание разных частей схемы сразу от нескольких источников питания. Например, трансформатор накаливания обязательно присутствовал в схемах с радиолампами.

В современных приборах этого типа используются Ш-образные, тороидальные или стержневые сердечники. Их основой являются пластины, выполненные из электротехнической, стали. При тороидальной форме магнитопровода трансформаторы получаются более компактными, обмотка проходит по всей поверхности, не оставляя пустых участков ярма.

Автотрансформаторы

Автотрансформаторы также относятся к низкочастотным устройствам, в которых первичная и вторичная обмотка дополняет друг друга. Между ними существует не только магнитная, но и электрическая связь. Единственная обмотка оборудована сразу несколькими выводами, что позволяет получать разные значения напряжения. Данные устройства отличаются более низкой стоимостью, поскольку провода для обмоток нужно меньше, как и стали для сердечника. В итоге общая масса прибора также снижается.

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

Монтаж и дальнейшая эксплуатация силовых трансформаторов

Большинство конструкций силовых трансформаторов обладают значительным весом. Поэтому для их транспортировки к месту монтажа используется специальный транспорт. Оборудование поставляется полностью собранным и готовым к подключению.

Монтаж силового трансформатора выполняется на заранее подготовленном фундаменте или в специальном помещении. Во избежание воздушных мешков под крышкой бака в процессе установки, под катки со стороны расширителя подкладываются стальные пластинки. Их толщина должна обеспечивать подъем 1% с узкой и 1,5% с широкой стороны трансформатора. Длина прокладок составляет не менее 150 мм. При массе устройства до 2 тонн установка выполняется непосредственно на фундамент. Корпус в обязательном порядке соединяется с системой заземления.

Перед началом установки силовые трансформаторы проходят испытания в лабораторных условиях. В это время измеряется коэффициент трансформации, проверяется качество соединений, изоляции, а также соответствие трансформаторного масла.

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.

Основные детали и системы силового трансформатора

Металлический корпус предназначен для размещения внутри него электрического оборудования трансформатора. Он представляет собой герметичный бак с крышкой, заполненный трансформаторным маслом. Такой сорт масла имеет высокие диэлектрические качества, с его помощью отводится тепло от деталей, подверженных значительным токовым нагрузкам.
Охлаждение трансформатора осуществляется с помощью гидравлической системы. Залив и слив масла производится с использованием задвижек и вкручивающихся пробок. Отбор масла для химического анализа производится через запорный вентиль, расположенный в нижней части бака.
Циркуляция масла в силовом трансформаторе происходит по двум контурам – внешнему и внутреннему. В состав внешнего контура входит радиатор, состоящий из верхнего и нижнего коллекторов, соединенных между собой металлическими трубками. Нагретое масло проходит через магистрали охладителя, остывает и вновь поступает в бак. Внутри бака масло может циркулировать естественным путем или принудительно под действием давления, создаваемого насосами. Теплообмен значительно улучшается за счет специальных гофр, устанавливаемых на поверхности бака.

Важнейшим элементом силового трансформатора является его электрическая схема. Все ее элементы размещаются внутри корпуса. Верхняя и нижняя балки составляют остов, на котором крепятся все остальные детали. В состав схемы входит магнитопровод, обмотки высокого и низкого напряжения, высоковольтные и низковольтные отводы, регулировочные ответвления обмоток. В нижней части располагаются вводы высокого и низкого напряжения.

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.