Трансформатори, їх види і призначення

Що таке трансформатор
Принцип роботи трансформатора
види трансформаторів
Режими роботи трансформатора
Рівняння ідеального трансформатора
магнитопровод трансформатора
обмотка трансформатора
застосування трансформаторів
схема трансформатора

Що таке трансформатор

Трансформатор являє собою пристрій, який перетворює напругу змінного струму (підвищує або знижує). Складається трансформатор з декількох обмоток (двох або більше), які намотані на загальний феромагнітний сердечник. Якщо трансформатор складається тільки з однієї обмотки, то він називається автотрансформатором. Сучасні трансформатори струму бувають: стрижневими, броньованими або тороїдальними. Всі три типи трансформаторів мають схожі характеристики, і надійність, але відрізняються один від одного способом виготовлення.

У трансформаторах стрижневого типу обмотка намотана на сердечник, а в трансформаторах стрижневого типу обмотка включається в сердечник. У трансформаторі стрижневого типу обмотки добре видно, а з сердечника видно тільки нижня і верхня частина. Сердечник броньового трансформатора приховує в собі практично всю обмотку. Обмотки трансформатора стрижневого типу розташовані горизонтально, в той час як це розташування в броньовий трансформаторі може бути як вертикальним, так і горизонтальним.

Незалежно від типу трансформатора, до його складу входять такі три функціональні частини: магнітна система трансформатора (магнітопровід), обмотки, а також система охолодження.

Принцип роботи трансформатора

У трансформаторі прийнято виділяти первинну і вторинну обмотку. До первинної обмотці напруга підводиться, а від вторинної відводиться. Дія трансформатора засновано на законі Фарадея (законі електромагнітної індукції): що змінюється в часі магнітної потік через площадку, обмежену контуром, створює електрорушійну силу. Справедливо також зворотне твердження: змінюється електричний струм індукує змінюється магнітне поле.

У трансформаторі є дві обмотки: первинна і вторинна. Первинна обмотка одержує заживлення від зовнішнього джерела, а з вторинної обмотки напруга знімається. Змінний струм первинної обмотки створює в муздрамтеатрі змінне магнітне поле, яке, в свою чергу, створює струм у вторинній обмотці.

Режими роботи трансформатора

Існують такі три режими роботи трансформатора: холостий хід, режим короткого замикання, робочий режим. Трансформатор «на холостому ходу», коли висновки від вторинних обмоток нікуди не підключені. Якщо сердечник трансформатора виготовлений з магнітомягкого матеріалу, тоді струм холостого ходу показує, які в трансформаторі відбуваються втрати на перемагнічування сердечника і вихрові струми.

У режимі короткого замикання висновки вторинної обмотки з’єднані між собою накоротко, а на первинну обмотку подають невелика напруга, з таким розрахунком, щоб струм короткого замикання дорівнював номінального струму трансформатора. Величину втрат (потужність) можна порахувати, якщо напруга у вторинній обмотці помножити на струм короткого замикання. Такий режим трансформатора знаходить своє технічне застосування в вимірювальних трансформаторах.

Якщо підключити навантаження до вторинної обмотці, то в ній виникає струм, що індукує магнітний потік, спрямований протилежно магнітному потоку в первинній обмотці. Тепер в первинній обмотці ЕРС джерела живлення і ЕРС індукції харчування не рівні, тому струм в первинній обмотці збільшується до тих пір, поки магнітний потік не досягне колишнього значення.

Для трансформатора в режимі активного навантаження справедливо рівність:
U_2 / U_1 = N_2 / N_1, де U2, U1 – миттєві напруги на кінцях вторинної та первинної обмоток, а N1, N2 – кількість витків в первинній і вторинній обмотці. Якщо U2> U1, трансформатор називається що підвищує, в іншому випадку перед нами понижуючий трансформатор. Будь-трансформатор прийнято характеризувати числом k, де k – коефіцієнт трансформації.

види трансформаторів

Залежно від свого застосування і характеристик трансформатори бувають декількох видів. Наприклад, в електричних мережах населених пунктів, промислових підприємств застосовують трансформатори силові, основним завданням яких є зниження напруги в мережі до загальноприйнятого – 220 В.

Якщо трансформатор призначений для регулювання струму, він називається трансформатор струму, а якщо пристрій регулює напругу – то це трансформатор напруги. У звичайних мережах застосовуються однофазні трансформатори, в мережах на три дроти (фаза, нуль, заземлення) потрібен трифазний трансформатор.

Побутовий трансформатор, 220В призначається для захисту побутової техніки від перепадів напруги.

Зварювальний трансформатор призначений для поділу зварювальної і силової мережі, для зниження напруги в мережі до потрібної для зварювання величини.

Масляний трансформатор призначається для використання в мережах з напругою вище 6 000 Вольт. Конструкція трансформатора включає в себе: магнітопровід, обмотки, бак, а також кришки з вводами. Магнитопровод складається з 2 листів електротехнічної сталі, які ізольовані один від одного, обмотки, як правило, роблять з алюмінієвого або мідного дроту. Регулювання напруги проводиться за допомогою відгалуження, яке з’єднується з перемикачем.

Існує два види перемикання відгалужень: перемикання під навантаженням – РПН (регулювання під навантаженням), а також без навантаження, після того, як трансформатор відключений від зовнішньої мережі (ПБЗ, або перемикання без збудження). Більшого поширення отримав другий спосіб регулювання напруги.

Говорячи про види трансформаторів, не можна не розповісти про електронний трансформаторі. Електронний трансформатор являє собою спеціалізований джерело живлення, який служить для перетворення напруги 220В в 12 (24) В, при великої потужності. Електронний трансформатор набагато менше звичайного, при тих же самих параметрах навантаження.

Рівняння ідеального трансформатора

Для того щоб розрахувати основні характеристики трансформаторів, прийнято користуватися простими рівняннями, які знає кожен сучасний школяр. Для цього використовують поняття ідеального трансформатора. Ідеальним трансформатором називається такий трансформатор, в якому немає втрат енергії на нагрів обмоток і вихрові струми. В ідеальному трансформаторі енергія первинного кола перетворюється повністю в енергію магнітного поля, а потім – в енергію вторинної обмотки. Саме тому ми можемо написати:
P1 = I1 * U1 = P2 = I2 * U2,
де P1, P2 – потужності електричного струму в первинної та вторинної обмотці відповідно.

магнитопровод трансформатора

Магнитопровод є пластини з електротехнічної сталі, які концентрують в собі магнітне поле трансформатора. Повністю зібрана система з деталями, скріпними трансформатор в єдине ціле – це остов трансформатора. Та частина муздрамтеатру, на якій кріпляться обмотки, називається стрижнем трансформатора. Частина муздрамтеатру, яка не несе на собі обмотку і замикає магнітний ланцюг, називається ярмом.

У трансформаторі стрижні можуть розташовуватися по-різному, тому виділяють такі чотири типи магнитопроводов (магнітних систем): плоска магнітна система, просторова магнітна система, симетрична магнітна система, несиметрична магнітна система.

обмотка трансформатора

Тепер поговоримо про обмотці трансформатора. Основна частина обмотки – виток, який одноразово охоплює муздрамтеатр і в якому індукується магнітне поле. Під обмоткою розуміють суму витків, ЕРС всієї обмотки дорівнює сумі ЕРС в кожному витку.

У силових трансформаторах обмотка зазвичай складається з провідників, що мають квадратний перетин. Такий провідник по-іншому ще називається жилою. Провідник квадратного перетину використовується для того, щоб більш ефективно використовувати простір усередині сердечника. В якості ізоляції кожної жили може використовуватися або папір, або емалевий лак. Дві жили можуть бути з’єднані між собою, і мати одну ізоляцію – така конструкція називається кабелем.

Обмотки бувають наступних типів: основні, регулюючі та допоміжні. Основний називається обмотка, до якої підводиться або від якої відводиться струм (первинна і вторинна обмотка). Обмотка з висновками для регулювання коефіцієнта трансформації напруги називається регулюючої.

застосування трансформаторів

З курсу шкільної фізики відомо, що втрати потужності в проводах прямо пропорційні квадрату сили струму. Тому для передачі струму на великі відстані напругу підвищують, а перед подачею споживачеві навпаки, знижують. У першому випадку потрібні підвищувальні трансформатори, а в другому – понижуючі. Це основне застосування трансформаторів.

Трансформатори застосовуються також в схемах живлення побутових приладів. Наприклад, в телевізорах застосовують трансформатори, що мають кілька обмоток (для харчування схем, транзисторів, кінескопа, і т.д.).

схема трансформатора

1. Ізоляція трансформатора на основі безматрічний вакуумного просочення і працює в середовищі з високою вологістю повітря і в хімічно агресивною атмосфері.
2. Мінімальна виділення енергії горіння (наприклад, 43 кг для трансформатора 1600 кВА відповідають 1,1% ваги). Інші ізоляційні матеріали є практично негорючими, самозатухаючим і не містять будь-яких токсичних добавок.
3. Стійкість трансформатора до забруднень завдяки конвекційним самоочисним дискам обмотки.
4. Велика довжина витоку по поверхні дисків обмотки, які створюють ефект ізоляційних бар’єрів.
5. Стійкість трансформатора до температурної ударного навантаження навіть при вкрай низьких температурах (-50 ° С).
6. Керамічні блоки прокладки (без можливості загоряння) між дисками обмотки.
7. Ізоляція провідників скло-шовк.
8. Безпека експлуатації трансформатора завдяки спеціальній структурі обмотки Вплив напруги на ізоляцію ніколи не перевищує напруга ізоляції (не більше 10 В). Часткові розряди в ізоляції фізично неможливі.
9. Охолодження трансформатора забезпечується вертикальними і горизонтальних каналах охолодження, а мінімальна товщина ізоляції забезпечують можливість роботи трансформатора при великих короткочасних перевантаженнях в захисному корпусі IP 45 без примусового охолодження.
10. Ізоляційний циліндр зроблений і практично негорючого і самозагасаючого матеріалу, армованого скловолокном.
11. Обмотка низької напруги з стандартного дроти або фольги; в якості матеріалу обмотки використовується мідь.
12. Динамічна стійкість трансформатора до коротких замикань забезпечується керамічними ізоляторами.

Режими роботи і схема заміщення трансформатора

Візьмемо трансформатор з двома обмотками: первинної – W1 для підключення до мережі і вторинної – W2 для підключення навантаження. Його спрощене пристрій і умовно-графічне позначення на схемах показано на малюнку 1.

Малюнок 1 Умовно-графічне позначення трансформатора

Можливі три режими роботи трансформатора: режим холостого ходу (ХХ), робочий режим (номінальний) і режим короткого замикання (КЗ). Розглянемо роботу трансформатора в цих режимах.

Режим холостого ходу. В цьому режимі опір навантаження дорівнює нескінченності, в результаті чого трансформатор еквівалентний звичайної котушці індуктивності з феромагнітним сердечником. У режимі холостого ходу трансформатор можна представити схемою заміщення, наведеної малюнку 2.

Малюнок 2 Схема заміщення трансформатора для режиму холостого ходу (а – послідовна, б – паралельна)

В еквівалентній схемі трансформатора, наведеної на малюнку 2:

r1 – активний опір первинної обмотки
LS1 – індуктивність, що характеризує потік розсіювання первинної обмотки
r0 – опір активних втрат у муздрамтеатрі
L0 – основна індуктивність первинної обмотки

I μ – струм, що створює основний магнітний потік (струм намагнічування)

I a – ток активних втрат в осерді

I 10 = Ia + Iμ – струм холостого ходу трансформатора.

Паралельна еквівалентна схема трансформатора зручна для побудови векторної діаграми напруг і струмів для реальної котушки індуктивності. Векторна діаграма приведена на малюнку 3.

Малюнок 3 Векторна діаграма напруг і струмів трансформатора в режимі холостого ходу

Тут δ – кут втрат у муздрамтеатрі
X1 – опір індуктивності розсіювання LS1.

При цьому вектор ЕРС індукований в обмотці W2 (напруга у вторинній обмотці) збігається по фазі з eL, а напруга U1 є сумою

Втрати на омічному опорі обмотки малі, оскільки струм холостого ходу багато менше номінального і кут зсуву між струмом і напругою (I 10 і U 1) визначається втратами в муздрамтеатрі. З досвіду холостого ходу і знаходять кут втрат δ і розраховують втрати в осерді.

Трансформатор є звертає пристроєм (первинну і вторинну обмотки можна поміняти місцями!), Тому для кожної з обмоток записуємо основну формулу трансформаторної ЕРС .

Розділивши рівняння (3) на (4), отримаємо вираз для коефіцієнта трансформації:

У режимі холостого ходу трансформатора якраз і визначають його коефіцієнт трансформації.

Робочий режим (навантажений або номінальний). Якщо до вторинної обмотці W 2 підключити навантаження R н, то її напруга U 2 викличе струм навантаження I 2, як це показано на малюнку 1б. Токи I 1 і I 2 орієнтовані по-різному щодо магнітного потоку Ф0. Струм I 1 створює потік Ф1, а струм I 2 створює потік Ф2 і прагне зменшити потік Ф1. Інакше кажучи, в муздрамтеатрі з’являються магнітні потоки Ф 1 і Ф 2, які на підставі закону Ленца спрямовані зустрічно і їх алгебраїчна сума дає: Ф 1 + Ф 2 = Ф 0 – магнітний потік холостого ходу трансформатора.

Звідси можна записати рівняння намагнічують сил (закон повного струму):

Видно, що зміна струму I 2 обов’язково призведе до зміни струму I 1. Навантаження утворює другий контур, в якому ЕРС вторинної обмотки е 2 є джерелом енергії. При цьому, справедливі рівняння:

де r2 – омічний опір вторинної обмотки
х2 – опір індуктивності розсіювання вторинної обмотки.

Згідно із законом Кіргофа сума струмів (6) може бути забезпечена паралельним з’єднанням електричних ланцюгів, тому в робочому режимі трансформатор можна уявити еквівалентною схемою, наведеною на малюнку 4.

Малюнок 4 Схема заміщення трансформатора в робочому режимі

Еквівалентна схема трансформатора в робочому режимі, наведена на малюнку 4 називається Т-образної схемою заміщення або наведеними трансформатором. Приведення вторинної обмотки до первинної виконується за умови рівності повних потужностей вторинних обмоток , або . З цієї рівності можна отримати формули перерахунку в первинну обмотку напруги і струмів вторинної обмотки і з них отримати наведені значення опорів навантаження, вторинної обмотки і індуктивності розсіювання.

Токи і напруги наводяться через коефіцієнт трансформації, а опору – через квадрат коефіцієнта трансформації. Можна перерахувати вторинну ланцюг в первинну або навпаки.

Подання трансформатора у вигляді еквівалентної схеми дозволяє методами теорії ланцюгів розрахувати будь-яку, як завгодно складну схему з трансформаторами.

Режим короткого замикання (КЗ). Цей режим в умовах експлуатації є аварійним. Він свідомо застосовується тільки для експериментального визначення параметрів трансформатора (індуктивності розсіювання). Вимірювання проводять в наступній послідовності. Вхідна напруга встановлюють рівним нулю. Замикають вихідні клеми (U 2 = 0). Плавно піднімають вхідна напруга (U 1) до тих пір, поки в обмотках не встановив номінальні струми. Величина U 1 = U КЗ називається напругою короткого замикання, є паспортної величиною трансформатора і зазвичай становить 5 . 10% від номінальної напруги U 1ном. При цьому, струм холостого ходу I 10 дуже малий у порівнянні з номінальним і їм можна знехтувати (вважати рівним нулю). Тоді еквівалентна схема трансформатора в режимі КЗ приймає вигляд, показаний на малюнку 5.

Малюнок 5 Еквівалентна схема трансформатора в режимі короткого замикання

Струм холостого ходу ми прийняли рівним нулю I 10 = 0, тому в еквівалентній схемі трансформатора паралельна ланцюг L0r0 відсутня. Вхідний опір трансформатора повністю визначаються індуктивністю розсіювання первинної та вторинної обмоток, а також їх провідникові:

Результуючий опір – це опір короткого замикання трансформатора. Знаючи повний опір короткого замикання:

можна знайти коефіцієнт передачі трансформатора, а в разі малої індуктивності розсіювання втрати потужності в обмотках трансформатора.

Сила, що намагнічує, що створює магнітний потік в сердечнику в режимі короткого замикання (вимірювальний режим) практично дорівнює нулю:

і якщо I 10 = 0, то I 1 W 1 = – I 2 W 2 звідки знаходимо відношення струмів, а значить і коефіцієнт трансформації по току:

Знак мінус у формулі (15) говорить про те, що магнітні потоки Ф1 і Ф2 спрямовані назустріч один одному і взаємно компенсуються.

Якщо у трансформатора є кілька вторинних обмоток, як показано на умовно-графічному зображенні трансформатора, наведеному на малюнку 6а, то перелічені опору навантаження на еквівалентній схемі з’єднуються паралельно і його еквівалентна схема набуває вигляду, показаний на малюнку 6б.

Малюнок 6 Схема заміщення трансформатора з двома вторинними обмотками

При цьому значення імпедансу (повного опору) вторинних обмоток Z 2 знаходиться як сума опорів вторинних обмоток і опору їх індуктивностей розсіювання:

Разом зі статтею “Режими роботи і схема заміщення трансформатора” читають: