Трансформатор — устройство, принцип работы

2015-08-06 Теория  Комментариев нет

Трансформаторы являются одними из самых распространенных электротехнических устройств, которые находят применение в самых различных областях — энергетике, промышленности, электронике, в быту. В частности, они нашли широкое практическое применение при передаче электроэнергии на большие расстояния, в распределительных системах, в различном промышленном и бытовом электрооборудовании.

Вообщем можно сказать, что трансформаторы окружают нас, порой даже незаметно, со всех сторон, начиная с трансформаторных подстанций и заканчивая зарядными устройствами для наших мобильных телефонов.

Все трансформаторы предназначены для работы только с переменным напряжением.

Трансформатор нельзя включать в сеть постоянного тока, так как при подключении трансформатора к сети постоянного тока магнитный поток в нем будет неизменный во времени и, следовательно, не будет индуктировать ЭДС в обмотках.

Вследствие этого в первичной обмотке будет протекать большой ток, так как при отсутствии ЭДС он будет ограничиваться только относительно небольшим активным сопротивлением обмотки. Этот ток может вызвать недопустимый нагрев обмотки и даже ее перегорание.

Коротко назначение трансформатора можно охарактеризовать так: это устройство, преобразующее переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения.

Существуют трансформаторы как повышающего, так и понижающего типа. Правда в этом правиле есть одно исключение.

Разделительные трансформаторы

Это исключение — разделительные трансформаторы 220/220, которые предназначены для повышения электробезопасности, за счет гальванической развязки первичных цепей обмотки от вторичных, причем вторичная цепь не должна заземляться, чтобы исключить возможность замыкания вторичных цепей на землю.

Применение такого подключения существенно снижает вероятность поражения электрическим током, так как токи, возникающие в случае пробоя изоляции на корпус, имеют небольшое значение, что обусловлено гальванической изоляцией вторичных цепей трансформатора от цепей заземления.

Такие трансформаторы еще называют трансформаторами безопасности.

Применяются они в местах с повышенными требованиями электробезопасности, таких как подвалы, мед.учреждения, помещения с повышенной влажностью и т.д.

Повышающие и понижающие трансформаторы

В повышающем трансформаторе первичная обмотка имеет более низкое напряжение, число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной. В понижающем трансформаторе, наоборот, вторичная обмотка имеет низкое напряжение, а число витков вторичной обмотки меньше, чем в первичной.

То есть в понижающем трансформаторе напряжение первичной обмотки U1 больше напряжения вторичной обмотки U2 в n-ое количество раз, а ток вторичной обмотки I2 больше тока первичной обмотки I1 также в n-ое количество раз.

В повышающем трансформаторе обратное соотношение между напряжениями в обмотках и между токами в них.

Например, если включить на полную мощность трансформатор, с напряжениям первичной обмотки U1 = 220V и вторичной U2 = 24V, то при номинальном токе первичной обмотки I1 = 3A, ток во вторичной обмотке будет равен I2 = 3 * (220/24) = 27,5 A.

Коэффициент трансформации

Отношение напряжения на зажимах первичной обмотки U1 к напряжению вторичной обмотки U2 трансформатора на холостом ходу называется коэффициентом трансформации и принимается равным соотношению числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки. В случае, если количество обмоток более двух, коэффициент трансформации определяют последовательно для каждой пары.

Обозначается коэффициент трансформации буквой n (иногда встречается обозначение k) и рассчитывается как :

Коэффициент трансформации

U1 и U2 – это напряжения на входе и выходе из трансформатора;

N1 и N2 — число витков первичной и вторичной обмоток;

Эти расчеты справедливы для трансформаторов напряжения, для трансформаторов тока формула будет выглядеть следующим образом:

Коэффициент трансформации

I1 и I2 – это токи первичной и вторичной цепей;

То есть в данном случае коэффициент трансформации рассчитывается как отношение первичного и вторичного токов.

Эти расчеты верны для идеальных условий работы трансформатора, в реальности же необходимо учитывать потери мощности на нагрев обмоток, вихревые токи, сдвиг фаз и т.д.

Все эти факторы будут влиять на точность преобразования и вносить погрешность в расчеты. И если для общепромышленных трансформаторов это не так существенно, то для измерительных трансформаторов точность имеет большое значение.

Принцип работы трансформаторов

Принцип действия всех трансформаторов основан на явлении электромагнитной индукции.

Трансформатор

Если первичную обмотку трансформатора подключить к сети источника переменного тока, то по ней будет проходить переменный ток, который возбуждает в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток. Который, в свою очередь, пронизывая витки вторичной обмотки трансформатора, возбуждает в этой обмотке ЭДС. Под действием этой ЭДС по вторичной обмотке и через приемник энергии будет протекать ток.

Обмотку, подключенную к источнику питания, принято называть первичной, а обмотку, к которой подключены потребители — вторичной.

Таким образом и происходит преобразование и распределение электрической энергии.

Для улучшения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками их размещают на магнитопроводе, собранным из отдельных листов электротехнической стали. Сами обмотки выполнены из изолированного провода.

В зависимости от формы магнитопровода и расположения обмоток, трансформаторы могут быть стержневыми, броневыми и тороидальными.

Магнитопровод стержневого однофазного трансформатора имеет два стержня, на которых помещены его обмотки. Эти стержни соединены ярмом с двух сторон так, что магнитный поток замыкается по стали.

Магнитопровод броневого однофазного трансформатора имеет один стержень, на котором полностью помещены обмотки трансформатора. Стержень с двух сторон охватывается (бронируется) ярмом так, что обмотка частично защищена магнитопроводом от механических повреждений.

У тороидального трансформатора сердечник выполнен из стальной ленты в виде кольца. Благодаря своей форме, он имеет ряд преимуществ перед другими типами — более высокий КПД, улучшенные тепловые характеристики, что благоприятно влияет на охлаждение трансформатора, более компактные габариты.

Основные характеристики трансформаторов

К основным техническим характеристикам трансформаторов относятся:

  • Номинальная мощность
  • Коэффициент трансформации
  • Номинальный ток
  • Напряжение короткого замыкания
  • Ток холостого хода
  • Коэффициент мощности
  • Коэффициент полезного действия (КПД)

1. Номинальной мощностью трансформатора S называется полная мощность, отдаваемая его вторичной обмоткой при полной нагрузке. Напомню, что полная мощность состоит из активной и реактивной мощностей, при этом часть ее уходит на нагрев, часть на полезную работу (активная мощность), часть на создание электромагнитного поля. Подробнее об этом читайте в статье Как перевести мощность из кВА в кВт.

Измеряется номинальная мощность в вольт-амперах (ВА), или киловольт- амперах (кВА).

2. Коэффициент трансформации. Об этом мы уже говорили выше.

3. Номинальный ток. Это наибольшее допустимое значения тока в обмотках, при котором трансформатор может работать неограниченно долгое время.

4. Напряжение короткого замыкания. Это напряжение, которое нужно подать на одну из обмоток трансформатора, для того чтобы в цепи возник электрический ток. Данный показатель характеризует величину полного сопротивления трансформаторных обмоток. Зная величину напряжения К.З. можно определить возможность включения трансформаторов в параллельную работу.

5. Ток холостого хода. Это ток первичной обмотки трансформатора при разомкнутой вторичной обмотке. Методика измерений, называемая опыт холостого хода, позволяет определить коэффициент трансформации, ток, потери и сопротивление холостого хода трансформатора.

6. Коэффициент мощности. Величина, равная отношению активной мощности, потребляемой электроприемником, к ее полной мощности. Определяется характером нагрузки (активная, реактивная), подключенной к его вторичной цепи. В случае отсутствия нагрузки, на холостом ходу, трансформатор имеет очень низкий коэффициент мощности, что неблагоприятно сказывается на работе источников переменного тока и электрических сетей.

7. Коэффициент полезного действия. Данная характеристика указывает на эффективность работы трансформатора и определяется отношением преобразованной активной мощности к потребляемой. Значение КПД трансформатора зависит от электрических и магнитных потерь энергии, которые неизбежны в процессе работы устройства.

Типы трансформаторов

Силовые трансформаторы — Данный вид трансформатора предназначен для преобразования электрической энергии в электрических сетях , для питания различного электрооборудования, в осветительных цепях.

Автотрансформаторы — у данного типа трансформаторов обмотки соединены между собой гальванически. В основном автотрансформаторы применяются для изменения и регулировки напряжения.

Трансформаторы тока — трансформатор, созданный для понижения первичного тока до величины применяемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации. Номинальное значение вторичной обмотки 1А , 5А. Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, пропорционален току, протекающему в его первичной обмотке на коэффициент трансформации.

Разделительные трансформаторы — имеют первичную обмотку, которая не связана электрически со вторичными обмотками. Силовые разделительные трансформаторы служат для повышения безопасности в электросетях. Сигнальные разделительные трансформаторы предназначены для обеспечения гальванической развязки электрических цепей.

Импульсные трансформаторы — трансформатор, созданный для преобразования импульсных сигналов с продолжительностью импульса до 10-ов микросекунд с наименьшим искажением формы импульса. Основное применение заключается в передаче прямоугольного электронного импульса (очень крутой фронт и срез, относительно неизменная амплитуда).

Пик-трансформаторы – трансформатор, преобразующий синусоидальное напряжение в импульсы пикообразной формы. Данный вид трансформаторов применяется для управления тиристорами либо другими полупроводниковыми и электронными устройствами.

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Яндекс

Комментарии

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>