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. 

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

Трансформаторы бывают:

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

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.