Меню

Трансформатор преобразует постоянный электрический ток



Устройство и принцип работы трансформатора

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем знакомство с электронными компонентами и в этой статье рассмотрим устройство и принцип работы трансформатора.

Трансформаторы нашли широкое применение в радио и электротехнике и применяются для передачи и распределения электрической энергии в сетях энергосистем, для питания схем радиоаппаратуры, в преобразовательных устройствах, качестве сварочных трансформаторов и т.п.

Трансформаторы

Трансформатор предназначен для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины.

В большинстве случаев трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода (сердечника) с расположенными на нем двумя катушками (обмотками) электрически не связанных между собой. Магнитопровод изготавливают из ферромагнитного материала, а обмотки мотают медным изолированным проводом и размещают на магнитопроводе.

Одна обмотка подключается к источнику переменного тока и называется первичной (I), с другой обмотки снимается напряжение для питания нагрузки и обмотка называется вторичной (II). Схематичное устройство простого трансформатора с двумя обмотками показано на рисунке ниже.

Схематичное устройство трансформатора

1. Принцип работы трансформатора.

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

Если на первичную обмотку подать переменное напряжение U1, то по виткам обмотки потечет переменный ток Io, который вокруг обмотки и в магнитопроводе создаст переменное магнитное поле. Магнитное поле образует магнитный поток Фo, который проходя по магнитопроводу пересекает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует (наводит) в них переменные ЭДС – е1 и е2. И если к выводам вторичной обмотки подключить вольтметр, то он покажет наличие выходного напряжения U2, которое будет приблизительно равно наведенной ЭДС е2.

Работа трансформатора без нагрузки

При подключении к вторичной обмотке нагрузки, например, лампы накаливания, в первичной обмотке возникает ток I1, образующий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф1 изменяющийся с той же частотой, что и ток I1. Под воздействием переменного магнитного потока в цепи вторичной обмотки возникает ток I2, создающий в свою очередь противодействующий согласно закону Ленца магнитный поток Ф2, стремящийся размагнитить порождающий его магнитный поток.

Работа трансформатора под нагрузкой

В результате размагничивающего действия потока Ф2 в магнитопроводе устанавливается магнитный поток Фo равный разности потоков Ф1 и Ф2 и являющийся частью потока Ф1, т.е.

Формула магнитного потока

Результирующий магнитный поток Фo обеспечивает передачу магнитной энергии из первичной обмотки во вторичную и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу е2, под воздействием которой во вторичной цепи течет ток I2. Именно благодаря наличию магнитного потока Фo и существует ток I2, который будет тем больше, чем больше Фo. Но и в то же время чем больше ток I2, тем больше противодействующий поток Ф2 и, следовательно, меньше Фo.

Из сказанного следует, что при определенных значениях магнитного потока Ф1 и сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки устанавливаются соответствующие значения ЭДС е2, тока I2 и потока Ф2, обеспечивающие равновесие магнитных потоков в магнитопроводе, выражаемое формулой приведенной выше.

Таким образом, разность потоков Ф1 и Ф2 не может быть равна нулю, так как в этом случае отсутствовал бы основной поток Фo, а без него не мог бы существовать поток Ф2 и ток I2. Следовательно, магнитный поток Ф1, создаваемый первичным током I1, всегда больше магнитного потока Ф2, создаваемого вторичным током I2.

Величина магнитного потока зависит от создающего его тока и от числа витков обмотки, по которой он проходит.

Напряжение вторичной обмотки зависит от соотношения чисел витков в обмотках. При одинаковом числе витков напряжение на вторичной обмотке будет приблизительно равно напряжению, подаваемому на первичную обмотку, и такой трансформатор называют разделительным.

Схематичное изображение разделительного трансформатора

Если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подаваемого на первичную обмотку, и такой трансформатор называют повышающим.

Схематичное изображение повышающего трансформатора

Если же вторичная обмотка содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее будет меньше, чем напряжение подаваемое на первичную обмотку, и такой трансформатор называют понижающим.

Схематичное изображение понижающего трансформатора

Следовательно. Путем подбора числа витков обмоток, при заданном входном напряжении U1 получают желаемое выходное напряжение U2. Для этого пользуются специальными методиками по расчету параметров трансформаторов, с помощью которых производится расчет обмоток, выбирается сечение проводов, определяются числа витков, а также толщина и тип магнитопровода.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то в магнитопроводе образуется магнитный поток постоянный во времени, по величине и направлению. В этом случае в первичной и вторичной обмотках не будет индуцироваться переменное напряжение, а следовательно, не будет передаваться электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Однако если в первичной обмотке трансформатора будет течь пульсирующий ток, то во вторичной обмотке будет индуцироваться переменное напряжение частота которого будет равна частоте пульсации тока в первичной обмотке.

2. Устройство трансформатора.

2.1. Магнитопровод. Магнитные материалы.

Назначение магнитопровода заключается в создании для магнитного потока замкнутого пути, обладающего минимальным магнитным сопротивлением. Поэтому магнитопроводы для трансформаторов изготавливают из материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях. Материалы должны иметь малые потери на вихревые токи, чтобы не перегревать магнитопровод при достаточно больших значениях магнитной индукции, быть достаточно дешевыми и не требовать сложной механической и термической обработки.

Магнитные материалы, используемые для изготовления магнитопроводов, выпускаются в виде отдельных листов, либо в виде длинных лент определенной толщины и ширины и называются электротехническими сталями.
Листовые стали (ГОСТ 802-58) изготавливаются методом горячей и холодной прокатки, ленточные текстурованные стали (ГОСТ 9925-61) только методом холодной прокатки.

Также применяют железноникелевые сплавы с высокой магнитной проницаемостью, например, пермаллой, перминдюр и др. (ГОСТ 10160-62), и низкочастотные магнитомягкие ферриты.

Для изготовления разнообразных относительно недорогих трансформаторов широко применяются электротехнические стали, имеющие небольшую стоимость и позволяющие трансформатору работать как при постоянном подмагничивании магнитопровода, так и без него. Наибольшее применение нашли холоднокатаные стали, имеющие лучшие характеристики по сравнению со сталями горячей прокатки.

Магнитопроводы из электротехнической стали

Сплавы с высокой магнитной проницаемостью применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, предназначенных для работы при повышенных и высоких частотах 50 – 100 кГц.

Недостатком таких сплавов является их высокая стоимость. Так, например, стоимость пермаллоя в 10 – 20 раз выше стоимости электротехнической стали, а пермендюра – в 150 раз. Однако в ряде случаев их применение позволяет существенно снизить массу, объем и даже общую стоимость трансформатора.

Другим их недостатком является сильное влияние на магнитную проницаемость постоянного подмагничивания, переменных магнитных полей, а также низкая стойкость к механическим воздействиям – удар, давление и т.п.

Магнитопроводы из сплавов с высокой магнитной проницаемостью

Из магнитомягких низкочастотных ферритов с высокой начальной проницаемостью изготавливают прессованные магнитопроводы, которые применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, работающих на высоких частотах от 50 – 100 кГц. Достоинством ферритов является невысокая стоимость, а недостатком является низкая индукция насыщения (0,4 – 0,5 Т) и сильная температурная и амплитудная нестабильность магнитной проницаемости. Поэтому их применяют лишь при слабых полях.

Магнитопроводы из магнитомягких прессованных ферритов

Выбор магнитных материалов производится исходя из электромагнитных характеристик с учетом условий работы и назначения трансформатора.

2.2. Типы магнитопроводов.

Магнитопроводы трансформаторов разделяются на шихтованные (штампованные) и ленточные (витые), изготавливаемые из листовых материалов и прессованные из ферритов.

Шихтованные магнитопроводы набираются из плоских штампованных пластин соответствующей формы. Причем пластины могут быть изготовлены практически из любых, даже очень хрупких материалов, что является достоинством этих магнитопроводов.

Магнитопровод из плоских шихтовых пластин

Ленточные магнитопроводы изготавливаются из тонкой ленты, намотанной в виде спирали, витки которой прочно соединены между собой. Достоинством ленточных магнитопроводов является полное использование свойств магнитных материалов, что позволяет уменьшить массу, размеры и стоимость трансформатора.

Трансформатор с ленточным магнитопроводом

Тороидальный трансформатор из ленточного магнитопровода

В зависимости от типа магнитопровода трансформаторы подразделяются на стрежневые, броневые и тороидальные. При этом каждый из этих типов может быть и стрежневым и ленточным.

В магнитопроводах стержневого типа обмотки располагается на двух стержнях (стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки). Это усложняет конструкцию трансформатора, но уменьшает толщину намотки, что способствует снижению индуктивности рассеяния, расхода проволоки и увеличивает поверхность охлаждения.

Схематичное изображение трансформатора стержневого типа

Трансформатор стержневого типа

Стержневые магнитопроводы используют в выходных трансформаторах с малым уровнем помех, так как они малочувствительны к воздействию внешних магнитных полей низкой частоты. Это объясняется тем, что под влиянием внешнего магнитного поля в обеих катушках индуцируются напряжения, противоположные по фазе, которые при равенстве витков обмоток компенсируют друг друга. Как правило, стержневыми выполняются трансформаторы большой и средней мощности.

В магнитопроводе броневого типа обмотка располагается на центральном стержне. Это упрощает конструкцию трансформатора, позволяет получить более полное использование окна обмоткой, а также создает некоторую механическую защиту обмотки. Поэтому такие магнитопроводы получили наибольшее применение.

Схематичное изображение трансформатора броневого типа

Трансформатор броневого типа

Некоторым недостатком броневых магнитопроводов является их повышенная чувствительность к воздействию магнитных полей низкой частоты, что делает их малопригодными к использованию в качестве выходных трансформаторов с малым уровнем помех. Чаще всего броневыми выполняются трансформаторы средней мощности и микротрансформаторы.

Тороидальные.

Тороидальные или кольцевые трансформаторы позволяют полнее использовать магнитные свойства материала, имеют малые потоки рассеивания и создают очень слабое внешнее магнитное поле, что особенно важно в высокочастотных и импульсных трансформаторах. Но из-за сложности изготовления обмоток не получили широкого применения. Чаще всего их делают из феррита.

Схематичное изображение тороидального трансформатора

Тороидальный трансформатор

Для уменьшения потерь на вихревые токи шихтованные магнитопроводы набираются из штампованных пластин толщиной 0,35 – 0,5 мм, которые с одной стороны покрывают слоем лака толщиной 0,01 мм или оксидной пленкой.

Лента для ленточных магнитопроводов имеет толщину от нескольких сотых до 0,35 мм и также покрывается электроизолирующей и одновременно склеивающейся суспензией или оксидной пленкой. И чем тоньше слой изоляции, тем плотнее происходит заполнение сечения магнитопровода магнитным материалом, тем меньше габаритные размеры трансформатора.

Читайте также:  Решение самостоятельной работе по физике электрический ток

За последнее время наряду с рассмотренными «традиционными» типами магнитопроводов находят применение новые формы, к числу которых следует отнести магнитопроводы «кабельного» типа, «обращенный тор», катушечный и др.

Новые формы магнитопроводов

На этом пока закончим. Продолжим во второй части.
Удачи!

1. В. А. Волгов – «Детали и узлы радио-электронной аппаратуры», Энергия, Москва 1977 г.
2. В. Н. Ванин – «Трансформаторы тока», Издательство «Энергия» Москва 1966 Ленинград.
3. И. И. Белопольский – «Расчет трансформаторов и дросселей малой моности», М-Л, Госэнергоиздат, 1963 г.
4. Г. Н. Петров – «Трансформаторы. Том 1. Основы теории», Государственное Энергетическое Издательство, Москва 1934 Ленинград.
5. В. Г. Борисов, – «Юный радиолюбитель», Москва, «Радио и связь» 1992 г.

Источник

Трансформатор: назначение, принципы работы и правила подключения

трансформатор

Основы электротехники

Свойства магнитного поля изучаются учеными давно. Впервые электромагнитную индукцию описал Майкл Фарадей. А именно как появляется прочная электромагнитная взаимосвязь в обмотках при создании переменного тока в первой катушке. Во вторичной же катушке повышается напряжение, но мощность и частота остаются прежними. Конечно, несведущему человеку в электричестве сложно понять конструкцию, принцип действия, предназначение трансформатора. Однако, это неотъемлемый прибор с установкой во многих сферах: радиотехника, электроэнергетика.

  1. Трансформаторы напряжения: назначение и принцип действия
  2. Для чего нужен трансформатор напряжения?
  3. Как работает трансформатор напряжения?
  4. Чем отличается трансформатор тока от трансформатора напряжения?
  5. Измерительные трансформаторы напряжения и тока
  6. Номинальная мощность, напряжение и ток
  7. Закон Фарадея
  8. Уравнения идеального трансформатора
  9. Как правильно подключить

Трансформаторы напряжения: назначение и принцип действия

Трансформатор – электрическое устройство. Преобразует переменный ток одного напряжения в электрический ток другого напряжения. Частота, согласно явлению электромагнитной индукции, остается неизменной.

Состоит статический трансформатор из:

  • первичной и вторичной обмотки;
  • сердечника.

Применяется устройство в разных схемах питания и электроприборах. Передает электроэнергию на большие расстояния и:

  • снижает потери энергии;
  • уменьшает площадь сечения проводов ЛЭП.

Трансформаторы напряжения

  • повышающий;
  • понижающий;
  • силовой;
  • вращающийся;
  • импульсный;
  • разделительный;
  • согласующий.

Понижающий трансформатор применяется в быту. Именно через него проходит и поступает ток в домашние розетки с мощностью 220 Вт.

Силовой агрегат в составе из сердечника и нескольких обмоток преобразует напряжение в электроцепи по принципу электромагнитной индукции. Также значение напряжения переменного тока без изменений его частоты. Применяется для распределения и передачи электрической энергии. Напряжение в обмотках – свыше 300 кВ. Мощность – от 4 кВ до 200000 кВА.

Справка! Трансформатор служит для понижения либо повышения переменного напряжения. Основой является ферромагнитный сердечник. В дополнение для бесперебойной работы – обмотки, изоляция, магнитопровод, система охлаждения.

Обмотки выполнены из изолированных медных проводов прямоугольного сечения. Между их слоями находятся пустоты для циркуляции охлаждающего масла. Роль которого – отбирать тепло у обмоток, передавать через радиаторные трубки в окружающую среду.

принцип действия трансформатора

Принцип действия устройства основан на:

  • изменении магнитного потока;
  • создании электромагнитной индукции при прохождении через обмотку;
  • подаче напряжения на первичную обмотку;
  • воспроизведении магнетизма электрическим током, изменяющимся во времени.

Переменный ток, протекая по первичной обмотке, начинает создавать в магнитопроводе магнитный ток. Постепенно приводит к потоку во всех обмотках, преобразуя гальваническую развязку (переменное напряжение), но без видоизменения частоты.

Стоит знать! Действие прибора основано на электромагнитной индукции. За счет переменного тока образуется магнитное переменное поле вокруг проводника, видоизменяется в электродвижущую силу. Напряжение на выходе полностью зависит от используемого (понижающего, повышающего) трансформатора. Коэффициент ЭДС в обмотках прямо пропорционален количеству витков.

Для чего нужен трансформатор напряжения?

Трансформатор напряжения – универсальное устройство. Передает и распределяет энергию.

  • электроустановках;
  • блоках питания;
  • агрегатах передачи электроэнергии;
  • устройствах обработки сигналов;
  • источниках питания приборов.

Силовой трансформатор с большим напряжением применяется для:

  • подачи энергии в электросети на электростанциях;
  • повышения напряжения генератора, линии электропередач;
  • снижения напряжения, доходящего до потребительского уровня.

принцип действия силового трансформатора

Трехфазный прибор со специальной системой охлаждения используется в электросетях. Сердечник в составе – общий для всех 3-ех фаз.

Область применения сетевого трансформатора – источники электропитания, узлы электроприборов с разным напряжением. Импульсные агрегаты незаменимы для радиотехнических, электронных устройств. Сначала выпрямляют переменное напряжение в блоках питания. Далее за счет инвертора преобразуют высокочастотные импульсы, стабилизирующие постоянное напряжение.

Трансформаторы входят в состав многих схем питания для обеспечения минимального уровня высокочастотных помех. Например, разделительные установки предотвращают угрозу поражения электрическим током для человека. Ведь включение бытовых приборов в сеть через трансформатор становится безопасным.

Вторая цепь у прибора будет изолирована от контактов с землей, если конечно, речь идет о заземлении электрического оборудования. Измерительные силовые приборы применяются в схемах генераторов переменного тока. Количество фаз у генератора из трансформатора должно совпадать для достижения стабильного напряжения на выходе.

Согласующие трансформаторы незаменимы для электронных устройств с высоким входным сопротивлением и высокочастотных линий, но с разным сопротивлением нагрузки.

Как работает трансформатор напряжения?

Приборы преобразуют энергию источника в необходимый коэффициент напряжения. Работают исключительно при переменном напряжении с постоянной частотой. В основе работы – электромагнитная индукция как явление, срабатываемое при изменении во времени магнитного потока, порождении ЭДС в обмотках.

Работа трансформатора начинается в первичной обмотке, где сердечник создает магнитный поток. Далее задействуется переменный ток, намагничивает сердечник, повышает индуктивность первичной обмотки, препятствует нарастанию тока на выводах обмотки напряжения. Если первичная обмотка отдает магнитный поток, то вторичная принимает его, изменяет с определенной скоростью, пронизывая все ветки и создавая ЭДС.

принцип действия трансформатора

Напряжение на ветках в полной мере зависит от быстроты изменения магнитного потока в сердечнике. Хотя получается одинаковым на ветках первичной и вторичной обмотки благодаря прохождению через них одного и того же магнитного потока.

Он в свою очередь создает вокруг себя электрическое поле в сердечнике, некий вихрь с воздействием на электроны, начиная толкать их в определенную сторону.

Справка! Если сказать проще, то принцип работы трансформатора напряжения основан на возбуждении напряжения во второй обмотке за счет возникшего переменного тока в магнитопроводе.

Чем отличается трансформатор тока от трансформатора напряжения?

Источником питания для трансформатора тока является непосредственно ток. Если он не будет проходить через обмотки, тот агрегат быстро выйдет из строя. Питание для трансформатора напряжения – источники напряжения и он также не будет функционировать при повышенных нагрузках тока.

Отличие между устройствами в разных электрических величинах и схемах включения.

Измерительные трансформаторы напряжения и тока

Приборы с работой под высоким напряжением нуждаются в периодическом измерении.

принцип действия измерительного трансформатора

Для чего этих целей в помощь – измерительные устройства, которые:

  • снижают величину напряжения до нужного уровня;
  • обеспечивают гальваническую развязку измерительному оборудованию от цепей с повышенной опасностью.

Номинальная мощность, напряжение и ток

Номинальная – мощность, с которой трансформатор работает в определенном классе точности и в соответствии с ГОСТом. Выражается в вольтах, амперах. Незначительные отклонения мощности допускаются, но не выше нормированных величин.

Важно! Во избежание повышения погрешности вторичной нагрузки суммарное потребление обмоток измерительных приборов и реле не должно быть более номинальной мощности трансформатора. Узнать номинальную мощность можно в паспорте к агрегату либо на щитке.

Порог номинального напряжения у трансформатора – 10кВ.

Разница в зависимости от мощности электроприборов составляет для:

  • питания электроприемников – 3-6,3кВ;
  • крупногабаритных электродвигателей – до 1000В.

Мощность трехфазного трансформатора вычитается по формуле: – S=квадратный корень цифры 3 UIU—номинальное междуфазное напряжение, В; / — ток в фазе, А. Коэффициенты рабочих токов в обмотках при рабочем состоянии трансформатора не должны быть выше номинальных Хотя кратковременные перегрузки в масляных и сухих агрегатах до определенных пределов (2,5 -3%) приемлемы.

Закон Фарадея

закон Фарадея

По закону электромагнитной индукции во вторичной обмотке создается ЭДС напряжение. Вычисляется по формуле – U2 = −N2*dΦ/dt.

Справка! Фарадея – основной закон электродинамики. Гласит о том, что генерируемая электродвижущая сила равняется скорости изменения магнитного потока, но взятой со знаком минус. Именно Майкл Фарадей сделал открытие, когда в ходе экспериментов объявил, что электродвижущая сила начинает появляться в проводнике только при изменении магнитного поля. Величина этой силы прямо пропорциональна скорости изменения магнитного поля.

Все факты содержатся в одном уравнении. Однако, знак минус в законе – правило Ленца, указывающее на возникновение индукционного электрического тока при изменении магнитного поля в проводнике. Действие тока направлено на магнитное поле, начинающего противодействовать изменению магнитного потока.

Правило Ленца не подчиняется законам электродинамики, ведь индукционный ток появляется как в обмотках, так и в сплошных металлических блоках.

Уравнения идеального трансформатора

В таком трансформаторе силовые линии проходят через все ветки первичной, вторичной обмотки. Значит, отсутствуют вихревые потоки и потери энергии. Магнитное поле изменяется, но порождает идентичную ЭДС во всех витках, поэтому становится прямо пропорциональным их общему числу.

Энергия при поступлении из первичной цепи трансформируется в магнитное поле, далее поступает во вторичной цепи.

Формула уравнения идеального трансформатора – P1 = I1 • U1 = P2 = I2 • U2:

  • R1 – коэффициент поступающей мощности из первой цепи на трансформатор;
  • R2 – коэффициент преобразованной мощности с поступлением во вторичную цепь.

Если повысить напряжение на концах вторичной обмотки, то снизится уровень тока первичной цепи. Согласно уравнению – U2/U1 = N2/N1 = I1/I2 преобразование сопротивления одной цепи к сопротивлению другой возможно только при умножении величины на квадрат отношения.

Как правильно подключить

Во всех тонкостях электрики сложно разобраться простому человеку, но при использовании трансформатора понижающего типа в быту важно понимать, как происходит процесс подключения.

Бывает, что возникает потребность подключения агрегата сразу на нескольких потребителей.

  1. При подключении трансформатора сразу на несколько потребителей важно учитывать количество выходных клемм.
  2. Общая потребляемая мощность для жильцов должна быть идентичной мощности трансформатора либо немного ниже. По мнению специалистов, идеальный второй показатель выше первого – на 20%.
  3. Подключается агрегат через электрическую проводку, размер которой не должен быть слишком большим. Достаточно 2 м при монтаже светодиодного освещения во избежании потери мощности.
  4. Суммарная мощность электроприборов не должна быть выше мощности трансформатора.
Читайте также:  Трансформатор тока шинный или опорный

Если посмотреть на схему подключения понижающего трансформатора, то видно, что монтируется между распределительной коробкой мощностью 220 Вт и лампами накаливания. Провода из распредкоробки подключаются непосредственно к выключателю.

Подключение трансформатора напряжения

Подключение трансформатора напряжения

Дополнительная информация! Стоит изначально определять правильное место установки электрического понижающего трансформатора. Нельзя его усердно прятать от посторонних глаз, ведь доступ для демонтажа либо замены должен быть свободным. При этом потребляемая мощность – не ниже мощности трансформатора, иначе процесс монтажа проводить запрещено.

При подключении важно, чтобы совпадали все уравнения, касающиеся модели прибора. Также существенное значение имеет фазировка, если в одну цепь подключается сразу несколько приборов параллельно. Во избежание больших потерь мощности фазы должны быть правильно соединены между собой с образованием замкнутого контура. При несовпадении фаз начнет расти нагрузка и падать мощность. Может произойти короткое замыкание.

Важно! Смотрите на фото, как выглядит упрощенный вид трансформатора.

Трансформатор – электромагнитный аппарат. Повышает либо понижает напряжение переменного тока. Он лишен подвижных частей. Значит, является статическим. По размерам бывает с трехэтажное здание либо миниатюрное, помещаемое в руку. В составе – сердечник и несколько обмоток с расположением на магнитопроводе. Хотя может содержать всего одну обмотку без сердечника.

При работе трансформатора срабатывает принцип электромагнитного взаимодействия. Переменный ток подается на первичную обмотку, меняет направление дважды за цикл. Значит, что вокруг обмотки образуется магнитное поле, но ежесекундно исчезает. Вторичная обмотка – проводник электромагнитного взаимодействия. Там же индуцируется напряжение.

Конечно, простому человеку сложно понять конструкцию, назначение прибора. Для познания можно просто разобрать, прозвонить, подключить или демонтировать в домашних условиях.

Источник

Что нужно знать о трансформаторах тока

В статье читатель узнает, что такое трансформатор тока, где они применяются. Мы постараемся дать краткую характеристику видам и типам устройства, объясним принцип действия. Также предлагаем ознакомиться с видеороликом в конце текста для лучшего понимания материала.

Без такого привычного устройства современный мир был бы невозможен в том виде, каком мы к нему привыкли. Его задача – помочь передавать энергию на большие расстояния. Тех, кто дочитает материал до конца, ждет приятный бонус: файл с книгой о трансформаторах тока Афанасьева А.А. По любым вопросам не стесняйтесь писать в комментариях, опытные эксперты будут рады вам помочь.

Что нужно знать о трансформаторах тока

Что это за устройство

Трансформатор представляет собой устройство, которое преобразовывает напряжение переменного тока (повышает или понижает). Состоит трансформатор из нескольких обмоток (двух или более), которые намотаны на общий ферромагнитный сердечник.

Если трансформатор состоит только из одной обмотки, то он называется автотрансформатором. Современные трансформаторы тока бывают: стержневыми, броневыми или тороидальными. Все три типа трансформаторов имеют похожие характеристики, и надежность, но отличаются друг от друга способом изготовления.

В трансформаторах стержневого типа обмотка намотана на сердечник, а в трансформаторах стержневого типа обмотка включается в сердечник. В трансформаторе стержневого типа обмотки хорошо видны, а из сердечника видна только нижняя и верхняя часть.

Сердечник броневого трансформатора скрывает в себе практически всю обмотку. Обмотки трансформатора стержневого типа расположены горизонтально, в то время как это расположение в броневом трансформаторе может быть как вертикальным, так и горизонтальным. Независимо от типа трансформатора, в его состав входят такие три функциональные части: магнитная система трансформатора (магнитопровод), обмотки, а также система охлаждения.

Трансформатор тока

Это устройство, первичная обмотка которого последовательно включена в рабочую цепь, а вторичная служит для проведения измерений. Подобные устройства используются не только в лабораториях для оценки величин. Истинное место трансформаторов тока возле электростанций, где они помогают контролировать режимы, внося коррективы в процесс эксплуатации оборудования.

Достаточно часто трансформаторы используются при передаче электроэнергии на дальние расстояния. Непосредственно на электрогенерирующих предприятиях они позволяют существенно повысить напряжение, которое вырабатывается источником переменного тока.

Повышая напряжение до 1150 кВт, трансформаторы обеспечивают более экономную передачу электроэнергии: значительно снижаются потери электричества в проводах и появляется возможность уменьшить площадь сечения кабелей, используемых в линиях электропередач.

Область применения

Трансформаторы получили широкое распространение, как в промышленности, так и в быту. Одной из основных областей их промышленного применения является передача электроэнергии на дальние расстояния и ее перераспределение.

Не менее известны сварочные (электротермические) трансформаторы. Как видно из названия, данный тип устройств применяется в электросварке и для подачи питания на электротермические установки. Трансформаторы тока принято классифицировать по роду тока. Измеряемое напряжение различается по роду. Для проведения измерений в цепи постоянного тока используется нарезка сигнала на импульсы. Напрямую трансформация невозможна:

  • для переменного тока;
  • для постоянного тока.

По назначению: мы уже сказали, что часто трансформаторы тока применяются для измерений (к примеру, кВт ч). Называют системы, где требуется защитить персонал для повышения безопасности.

Также достаточно широкой областью применения трансформаторов является обеспечение электропитания различного оборудования. Трансформаторы делят в зависимости от назначения. Выносные измерительные трансформаторы тока используются для обеспечения работоспособности цепей учета электроэнергии защиты энергетических линий и силовых автотрансформаторов. В зависимости от выполняемых функций различают следующие виды:

  • измерительные — подающее ток на приборы измерения и контроля;
  • защитные — подключаемые к защитным цепям;
  • промежуточные — используется для повторного преобразования.

Они имеют различные размеры и эксплуатационные показатели. Могут размещаться в корпусах небольших приборов или являться отдельными, габаритными устройствами.

Что нужно знать о трансформаторах тока

Принцип работы устройства

Принцип работы трансформатора основан на эффекте электромагнитной индукции. Классическая конструкция состоит из металлического магнитопровода и электрически не связанных обмоток, выполненных из изолированного провода. Та обмотка, на которую подается электроэнергия, называется первичной. Вторая — подсоединённая к устройствам, потребляющим ток, называется вторичной.

Что нужно знать о трансформаторах тока

Соотношение между входным и выходным напряжением трансформатора прямо пропорционально отношению количества витков соответствующих обмоток. Эта величина называется коэффициентом трансформации: Ктр=W1/W2=U1/U2, где:

  • W1, W2 — количество витков первичной и вторичной обмоток соответственно;
  • U1, U2 — входное и выходное напряжения соответственно.

Обмотки могут быть расположены либо в виде отдельных катушек, либо одна поверх другой. У маломощных устройств обмотки выполняются из провода с хлопчатобумажной или эмалевой изоляцией.

Микротрансформатор имеет обмотки из алюминиевой фольги толщиной не более 20—30 мкм. В качестве изолирующего материала выступает оксидная пленка, полученная естественным окислением фольги. Подробнее принцип работы трансформатора тока рассмотрен в видеоролике:

Вкратце принцип работы и устройство трансформатора тока заключается в подаче питания от источника электричества. Наиболее актуальным является использование для снижения первичных показателей тока до величины, применяемой в измерительных и защитных цепях, сигнализации и управления.

Во вторичной обмотке отмечаются показатели тока 5 А или 1 А. Измерительные устройства подключаются к вторичной обмотке, а к первичной подключается цепь, в которой измеряют ток. Для расчета тока во второй обмотке используют показания в первичной обмотке и делят на коэффициент трансформации.

Режимы работы трансформатора

Существуют такие три режима работы трансформатора: холостой ход, режим короткого замыкания, рабочий режим. Трансформатор «на холостом ходу», когда выводы от вторичных обмоток никуда не подключены.

Если сердечник трансформатора изготовлен из магнитомягкого материала, тогда ток холостого хода показывает, какие в трансформаторе происходят потери на перемагничивание сердечника и вихревые токи.

В режиме короткого замыкания выводы вторичной обмотки соединены между собой накоротко, а на первичную обмотку подают небольшое напряжение, с таким расчетом, чтобы ток короткого замыкания был равен номинальному току трансформатора.

Величину потерь (мощность) можно посчитать, если напряжение во вторичной обмотке умножить на ток короткого замыкания. Такой режим трансформатора находит свое техническое применение в измерительных трансформаторах.

Схема работы трансформатора

Если подключить нагрузку к вторичной обмотке, то в ней возникает ток, индуцирующий магнитный поток, направленный противоположно магнитному потоку в первичной обмотке. Теперь в первичной обмотке ЭДС источника питания и ЭДС индукции питания не равны.

Поэтому ток в первичной обмотке увеличивается до тех пор, пока магнитный поток не достигнет прежнего значения. Для трансформатора в режиме активной нагрузки справедливо равенство:

где U2, U1 – мгновенные напряжения на концах вторичной и первичной обмоток, а N1, N2 – количество витков в первичной и вторичной обмотке.

Если U2> U1, трансформатор называется повышающим, в противном случае перед нами понижающий трансформатор. Любой трансформатор принято характеризовать числом k, где k – коэффициент трансформации.

Виды и типы трансформаторов

Трансформаторы — это достаточно широко распространенные устройства, поэтому существует множество их разновидностей. По конструктивному исполнению и назначению они делятся на несколько видов.

  1. Автотрансформаторы.
  2. Импульсные трансформаторы.
  3. Разделительный трансформатор.
  4. Пик-трансформатор.

Стоит выделить способ классификации трансформаторов по способу их охлаждения. Различают сухие устройства с естественным воздушным охлаждением в открытом, защищенном и герметичном исполнении корпуса и с принудительным воздушным охлаждением.

Виды трансформаторов

Устройства с жидкостным охлаждением могут использовать различные типы теплообменной жидкости. Чаще всего это масло, однако встречаются модели, где в качестве теплообменного вещества используется вода или жидкий диэлектрик.

Кроме того, производят трансформаторы с комбинированным охлаждением жидкостно-воздушным. При этом каждый из способов охлаждения может быть как естественным, так и с принудительной циркуляцией. Трансформаторы тока имеют три основных вида. Наиболее применяемые из них:

  1. Сухие.
  2. Тороидальные.
  3. Высоковольтные (масляные, газовые).

Что нужно знать о трансформаторах тока

Тороидальные исполнения трансформаторов устанавливают на шины или кабели. Поэтому первичная обмотка для них не нужна, в отличие от обычных трансформаторов напряжения и тока. Первичный ток протекает по шине, которая проходит в центре трансформатора. Он дает возможность вторичной обмотке фиксировать показатели тока.

Читайте также:  От чего питается двигатель постоянного тока

Такие трансформаторы тока редко используются для замера параметров тока, так как их надежность и точность измерений оставляет желать лучшего. Они чаще используются для дополнительной защиты от короткого замыкания.

Характеристики трансформаторов

К основным техническим характеристиками трансформаторов можно отнести:

  • уровень напряжения: высоковольтный, низковольтный, высоко потенциальный;
  • способ преобразования: повышающий, понижающий;
  • количество фаз: одно- или трехфазный;
  • число обмоток: двух- и многообмоточный;
  • форму магнитопровода: стержневой, тороидальный, броневой.

Один из основных параметров — это номинальная мощность устройства, выраженная в вольт-амперах. Точные граничные показатели могут несколько различаться в зависимости от количества фаз и других характеристик. Однако, как правило, маломощными считаются устройства, преобразовывающие до нескольких десятков вольт-ампер.

Приборами средней мощности считаются устройства от нескольких десятков до нескольких сотен, а трансформаторы большой мощности работают с показателями от нескольких сотен до нескольких тысяч вольт-ампер.

Рабочая частота – различают устройства с пониженной частотой (менее стандартной 50 Гц), промышленной частоты – ровно 50 Гц, повышенной промышленной частоты (от 400 до 2000 Гц) и повышенной частоты (до 1000 Гц).

Работа трансформатора

Параметры трансформаторов тока

При выборе для работы в тандеме с трёхфазным счётчиком первым делом обращают внимание на коэффициент трансформации. Ряд значений стандартизирован, и нужно выбирать приборы, способные работать в паре. Выше говорилось, что в иных случаях коэффициент трансформации возможно менять, и нужно этим пользоваться.

Помимо рабочего напряжения роль играет ток в первичной обмотке (исследуемой сети). Понятно, что с ростом увеличивается нагрев, и однажды токонесущая часть может сгореть. Это требование не столь актуально для трансформаторов без первичной обмотки. Номинальный вторичный ток обычно равен 1 либо 5 А, что служит критерием для согласования с сопрягаемыми устройствами.

Полагается обращать внимание на сопротивление нагрузки в цепи измерения. Вряд ли найдётся счётчик, выбивающийся из общего ряда, но нужно контролировать момент. В противном случае не гарантируется точность показаний. Коэффициент нагрузки обычно не ниже 0,8.

Это уже касается измерительных приборов, с индуктивностями в составе. ГОСТ нормирует значение в вольт-амперах. Для получения сопротивления в омах требуется поделить цифру на квадрат тока вторичной обмотки.

Предельные режимы работы обычно характеризуются током электродинамической стойкости, возникающим при коротком замыкании. В паспорте пишут значение, при котором прибор проработает сколь угодно долго без выхода из строя.

Что нужно знать о трансформаторах тока

Остаётся лишь произвести операцию умножения. Указанный параметр не касается приборов без первичной обмотки. Вдобавок определяется ток термической стойкости, который трансформатор выдерживает без критического перегрева. Этот вид устойчивости способен выражаться кратностью.

Отличие трансформатора тока от трансформатора напряжения

Одним из некоторых отличий является способ создания изоляции между двумя обмотками. Первичную обмотку в трансформаторах тока изолируют соответственно параметрам принимаемого напряжения. Вторичная обмотка имеет заземление.

Что нужно знать о трансформаторах тока

Для трансформатора напряжения при коротком замыкании его работа опасна из-за риска возникновения аварии. Для трансформатора тока такой режим работы вполне приемлемый и безопасный. Хотя бывают у таких трансформаторов также угрозы аварии, но для этого устанавливают свои системы и средства защиты.

Заключение

Надеемся, что теперь вам полностью понятен принцип работы трансформаторов тока. Предлагаем скачать файл с книгой о трансформаторах тока Афанасьева А.А., в котором подробно рассмотрены все нюансы работы с трансформаторами тока. Если хотите регулярно узнавать новую информацию по этой теме, а также по теме металлоискателей и радиодеталей: подписывайтесь на нашу группу в социальной сети «Вконтакте».

Источник

Устройство и принцип работы трансформатора

Для преобразования электрического напряжения одной величины в электрическое напряжение другой величины, то есть для преобразования электрической мощности, применяют электрические трансформаторы.

Трансформатор может преобразовывать лишь переменный ток в переменный ток, поэтому для получения постоянного тока, переменный ток с трансформатора при необходимости выпрямляют. Для этой цели служат выпрямители.

Так или иначе, любой трансформатор (будь то трансформатор напряжения, трансформатор тока или импульсный трансформатор) работает благодаря явлению электромагнитной индукции, которое проявляет себя во всей красе именно при переменном или импульсном токе.

Однофазный трансформатор

Устройство трансформатора

В простейшем виде однофазный трансформатор состоит всего из трех основных частей: ферромагнитного сердечника (магнитопровода), а также первичной и вторичной обмоток. В принципе обмоток у трансформатора может быть и больше двух, но минимум их две. В некоторых случаях функцию вторичной обмотки может нести на себе часть витков первичной обмотки (см. виды трансформаторов), но подобные решения встречаются достаточно редко по сравнению с обычными.

Устройство трансформатора

Главная часть трансформатора — ферромагнитный сердечник. Когда трансформатор работает, то именно внутри ферромагнитного сердечника присутствует изменяющееся магнитное поле. Источником изменяющегося магнитного поля в трансформаторе служит переменный ток первичной обмотки.

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора

Известно, что любой электрический ток сопровождается магнитным полем, соответственно переменный ток сопровождается переменным (изменяющимся по величине и направлению) магнитным полем.

Таким образом, подав в первичную обмотку трансформатора переменный ток, получим изменяющееся магнитное поле тока первичной обмотки. А чтобы магнитное поле было сконцентрировано главным образом внутри сердечника трансформатора, данный сердечник изготавливают из материала с высокой магнитной проницаемостью, в тысячи раз большей чем у воздуха, чтобы основная часть магнитного потока первичной обмотки замкнулась бы именно внутри сердечника, а не по воздуху.

Таким образом переменное магнитное поле первичной обмотки сконцентрировано в объеме сердечника трансформатора, который изготавливают из трансформаторной стали, феррита или другого подходящего материала, в зависимости от рабочей частоты и назначения конкретного трансформатора.

Принцип работы трансформатора

Вторичная обмотка трансформатора находится на общем сердечнике с его первичной обмоткой. Поэтому переменное магнитное поле первичной обмотки пронизывает также и витки вторичной обмотки.

А явление электромагнитной индукции как раз и заключается в том, что изменяющееся во времени магнитное поле наводит в пространстве вокруг себя изменяющееся электрическое поле. И поскольку в данном пространстве вокруг изменяющегося магнитного поля находится провод вторичной обмотки, то индуцированное переменное электрическое поле действует на носители заряда внутри этого провода.

Данное действие электрическим полем вызывает в каждом витке вторичной обмотки ЭДС. В результате между выводами вторичной обмотки появляется переменное электрическое напряжение. Когда вторичная обмотка включенного в сеть трансформатора не нагружена, трансформатор работает в режиме холостого хода.

Работа трансформатора под нагрузкой

Работа трансформатора под нагрузкой

Если же ко вторичной обмотке работающего трансформатора подключена некая нагрузка, то во всей вторичной цепи трансформатора возникает ток через нагрузку.

Данный ток порождает свое собственное магнитное поле, которое, по закону Ленца, имеет такое направление, что противодействует «причине, его вызывающей». То есть магнитное поле тока вторичной обмотки в каждый момент времени стремится уменьшить увеличивающееся магнитное поле первичной обмотки или же стремится поддержать магнитное поле первичной обмотки когда оно уменьшается, оно всегда направлено навстречу магнитному полю первичной обмотки.

Таким образом, когда вторичная обмотка трансформатора нагружена, в его первичной обмотке возникает противо-ЭДС, заставляющая первичную обмотку трансформатора потреблять из питающей сети больше тока.

Силовой трансформатор в разрезе

Коэффициент трансформации

Соотношение витков первичной N1 и вторичной N2 обмоток трансформатора определяет соотношение между его входным U1 и выходным U2 напряжениями и входным I1 и выходным I2 токами, при работе трансформатора под нагрузкой. Данное соотношение называется коэффициентом трансформации трансформатора:

Коэффициент трансформации

Коэффициент трансформации больше единицы если трансформатор понижающий, и меньше единицы — если трансформатор повышающий.

Трансформатор напряжения

Трансформатор напряжения

Трансформатор напряжения является разновидностью понижающего трансформатора, предназначенной для гальванической развязки цепей высокого напряжения от цепей низкого напряжения.

Обычно, когда речь идет о высоком напряжении, имеют ввиду 6 и более киловольт (на первичной обмотке трансформатора напряжения), а под низким напряжением понимают величины порядка 100 вольт (на вторичной обмотке).

Такой трансформатор применяется, как правило, для измерительных целей. Он понижает, например, высокое напряжение линии электропередач до удобного для измерения низковольтного напряжения, при этом может также гальванически изолировать цепи измерения, защиты, управления, — от высоковольтной цепи. Трансформатор данного типа обычно работает в режиме холостого хода.

Силовой трансформатор на опоре ЛЭП

Трансформатором напряжения можно назвать в принципе и любой силовой трансформатор, применяемый для преобразования электрической мощности.

Трансформатор тока

Трансформатор тока

У трансформатора тока первичная обмотка, состоящая обычно всего из одного витка, включается последовательно в цепь источника тока. Данным витком может выступать участок провода цепи, в которой необходимо измерить ток.

Провод просто продевается через окно сердечника трансформатора и становится этим самым единственным витком — витком первичной обмотки. Вторичная же его обмотка, имеющая много витков, подключается к измерительному прибору, отличающемуся малым внутренним сопротивлением.

Трансформаторы данного типа используются для измерения величин переменного тока в силовых цепях. Здесь ток и напряжение вторичной обмотки оказываются пропорциональны измеряемому току первичной обмотки (токовой цепи).

Трансформаторы тока широко применяются в устройствах релейной защиты электроэнергетических систем, поэтому обладают высокой точностью. Они делают измерения безопасными, так как гальванически надежно изолируют измерительную цепь от первичной цепи (обычно высоковольтной — десятки и сотни киловольт).

Импульсный трансформатор

Импульсный трансформатор

Данный трансформатор предназначен для преобразования тока (напряжения) импульсной формы. Короткие импульсы, обычно прямоугольные, подаваемые на его первичную обмотку, заставляют трансформатор работать практически в режиме переходных процессов.

Такие трансформаторы используются в импульсных преобразователях напряжения и других импульсных устройствах, а также в качестве дифференцирующих трансформаторов.

Применение импульсных трансформаторов позволяет снизить вес и стоимость устройств, в которых они применяются просто в силу повышенной частоты преобразования (десятки и сотни килогерц) по сравнению с сетевыми трансформаторами, работающих на частоте 50-60 Гц. Прямоугольные импульсы, у которых длительность фронта много меньше длительности самого импульса, нормально трансформируются с малыми искажениями.

Источник