Виды трансформаторов

Содержание:
• Понятие и виды трансформаторов
• Трансформаторы напряжения
• Трансформаторы тока
• Силовые трансформаторы
• Трансформаторы сварочные
• Расчет трансформатора

Понятие и виды трансформаторов

Трансформатор – это устройство, которое преобразует переменный напряжения одного определенного уровня в переменный ток напряжения уровня другого. Частота при этом не изменяется, как не изменяется и мощность. Трансформатор включает в свое устройство магнитопровод, изготовленный с применением ферромагнитного материала, на который намотано несколько изолированных обмоток из проволоки (либо одна в случае автотрансформатора). Эти обмотки охвачены общим магнитным потоком.

Различают трансформаторы:

• трансформаторы напряжения (преобразуют напряжение, снижая его до нужной величины);
• трансформаторы тока (снижают первичный ток до уровня, необходимого в работе устройства);
• силовые (преобразует электроэнергию в электрических сетях в приборах, которые ее используют; самый распространенный вид трансформаторов);
• автотрансформаторы (первичная и вторичная обмотки соединены и часто не изолированы; отличает высокое КПД; применяют в случаях, когда преобразование электроэнергии незначительно);
• импульсные трансформаторы (преобразуют импульсные сигналы, практически не искажают сигналы тока);
• разделительные трансформаторы (обмотки не соединены и никак не связаны друг с другом, что позволяет обеспечивать безопасность в случае повреждения изоляции электросетей);
• пик-трансформаторы (преобразуют напряжение в напряжение, которое меняет свою полярность каждую половину периода).

Трансформаторы напряжения

Трансформаторы напряжения предназначены для трансформации и снижения напряжения в более низкое. Обычно необходимо это для измерения напряжения электроэнергии, идущей из сети. Трансформаторы напряжения помогают изолировать цепи измерения и защиты от самой электросети с электроэнергией высокого напряжения.

Трансформаторы напряжения бывают заземляемыми и незаземляемыми. Заземляемый трансформатор может быть однофазным и трехфазным. Однофазный имеет один заземленный конец первичной обмотки, а в трехфазном заземлена нейтраль обмотки первого уровня.

В незаземляемом трансформаторе напряжения вся первичная обмотка изолирована и земли.

Кроме того, различают трансформаторы напряжения каскадные и емкостные. В каскадных первичную обмотку разделяют на несколько секций, последовательно соединенных друг с другом. В этом случае мощность к обмотке вторичной передается с помощью дополнительных, играющих соединительную роль, обмоток. В емкостном трансформаторе напряжения есть емкостный делитель.

Также трансформаторы напряжения различаются по количеству обмоток. В двухобмоточных есть лишь одна вторичная обмотка, в трехобмоточных помимо основной вторичной обмотки присутствует и вторая. В зависимости от того, где необходимы трансформаторы напряжения, выбирают тот или иной тип устройств.

Трансформаторы тока

Трансформаторы тока применяют, когда необходимо преобразовать лишь ток электроэнергии, идущей от сети, а также, когда нужно измерить эту величину. В этом случае первичную обмотку включают в цепь с переменным током, который будут измерять, последовательно, а ко второй подключают прибор для самого измерения.

Ток исходный пропорционален току, полученному в результате преобразования. Таким образом измеряют ток электричества, идущего от станции.

На трансформаторы тока распространяются строгие требования по точности измерения, так как они применяются в основном в приборах релейной защиты систем в сфере электроэнергетики. Именно эти устройства помогают обеспечить безопасность измерения тока, так как они изолируют цепи для измерения от первичных цепей, по которым обычно проходит ток высокого напряжения (от 100 кВт). Высокая точность и безопасность трансформатора тока – вот главные требования к этим приборам, поэтому трансформаторы тока производятся с несколькими группами вторичной обмотки.

Как минимум, групп две: к первой подключают защитные приборы, а ко второй – измерительные устройства, различные счетчики. Вторичную обмотку во время работы трансформатора тока никогда не размыкают.

Силовые трансформаторы

Силовые трансформаторы – это устройства стационарные, которые имеют как минимум две обмотки, использующиеся для преобразования напряжения и тока до необходимого в работе уровня. Как правило, частота преобразованной электроэнергии остается прежней. Силовые трансформаторы состоят из клемм, охладителей и приборов для регулирования уровня выходного напряжения. Кроме того, на такой трансформатор можно установить газовое реле, устройства для сброса давления, защиты от перенапряжений и резкого повышения давления. Также возможна установка на силовые трансформаторы поглотителей влаги и дополнительных трансформаторов тока, расходомеров, индикаторов температуры, давления, уровня масла и горючих газов. Помимо данных устройств, на силовые трансформаторы можно установить полозья или колеса, которые сделают их транспортабельными.

Обычно силовые трансформаторы применяют в случае необходимости увеличить ток и снизить напряжение электроэнергии, идущей от основной электростанции, поэтому силовые трансформаторы используются в различных отраслях промышленности. То есть везде, где применяют устройства, работающие на электроэнергии, а также везде, где жизненно необходимо регулировать параметры электричества, преобразуя ее в электричество нужного тока и напряжения и препятствуя резким скачкам этих параметров.

Силовые масляные трансформаторы

Во многих отраслях народного хозяйства активно используются силовые масляные трансформаторы. Такой большой спрос на них обуславливается тем, что установить их легко можно как снаружи, так и внутри помещения. Обмотки силовых масляных трансформаторов отлично защищены от воздействия окружающей среды, за счет чего заметно увеличивается и их срок службы. Это делает их также надежными и неприхотливыми в процессе эксплуатации.

Есть у силовых масляных трансформаторов и недостаток – он заключается в том, что окружающая среда должна иметь минимум пыли в воздухе. Кроме того, она должна быть пассивной химически и совершенно невзрывоопасной. Этот недостаток можно назвать единственным, но при этом он довольно существенный.

Силовые масляные трансформаторы, в которых устанавливается еще маслоуказатель МС, способны выдерживать очень большие нагрузки напряжения. Использовать трансформаторы можно как в жарком, так и в холодном климате. Необходимы они с целью понижения напряжения в сети электрической.

Трехфазные и высоковольтные трансформаторы

Могут быть трансформаторы трехфазными и высоковольтными.
Высоковольтные трансформаторы отличаются способностью выдерживать достаточно высокую нагрузку. За счет этого использовать их можно даже на крупных предприятиях. Их основная работа заключается в том, чтобы от высоковольтной линии преобразовывать ток в более низкие частоты.

Трехфазные трансформаторы способны преобразовывать ток при разных температурах воздуха. Но в условиях тряски, вибрации или ударов такие трансформаторы использовать запрещено.

Трансформаторы сварочные

Трансформатор сварочный – устройство для сварочных приборов, которое преобразует высокое напряжение в напряжение низкое для вторичных электросетей уровня, необходимого в работе.

Сварочный трансформатор применяют для сварочных работ во время производства конструкций из стали. Кроме того, трансформаторы необходимы для сварки цветных металлов. Применяются эти устройства в основном в промышленном строительстве. Их используют во время монтажа технических или строительных конструкций из металла, изготовлении деталей и во время сварки арматуры, труб и узлов.

Трансформатор сварочный состоит из сердечника, изготовленного из специальной стали, на котором есть первичная и вторичная обмотка. Первая пропускает переменный ток и намагничивает магнитопровод, а во второй переменный ток нужного для сварки уровня индуктируется.

Существует два основных вида сварочных трансформаторов, один из которых отличается повышенным магнитным рассеянием, а второй имеет нормальное рассеяние и дроссель.

Трансформатор сварочный применяется при создании сварочных швов любого вида и назначения в любом труднодоступном месте и расположении самого работника. Используя это устройство, вы сможете практически без замены инструментов выполнять многие сварочные работы.

Расчет трансформатора

Расчет трансформатора производят во время его изготовления для того, чтобы получить необходимые параметры напряжения, частоты или тока электроэнергии, которая выходит в результате его применения. Обычно расчет трансформатора делают, когда устройство подключают в сеть в 50Гц частотой, и в случае, если сам прибор весит мало.

Начинают производить расчет трансформатора с выбора сердечника – с выбора его размеров и конфигурации. В зависимости от конструкции сердечники бывают прямоугольной формы с заостренными или закругленными краями и круглой формы, т.е. броневые пластинчатые, броневые ленточные или кольцевые ленточные соответственно. Так, броневые трансформаторы применяют для малых мощностей. Такие устройства очень просты в производстве и состоят всего из одного каркаса. Кольцевой сердечник пригоден для мощностей до 1000 Вт. Для того, чтобы произвести дальнейший расчет трансформатора необходимо знать напряжение первичной и вторичной обмотки (Ui и Uz), ток обмотки вторичной (l2) и ее мощность (Рвых).

Расчет трансформатора производят по уравнению, в котором величина умножения сечения стали в месте катушки на площадь окна сердечника равна величине, полученной в результате арифметических действий. А именно, — деления величины мощности вторичной обмотки, умноженной на 0.901, на число, которое получилось в результате умножения магнитной индукции, плотности тока, коэффициентов заполнения окна и заполнения магнитопровода сталью.

Источник

Виды трансформаторов

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, содержащее от двух до нескольких обмоток, расположенных на общем магнитопроводе, и индуктивно связанных, таким образом, между собой. Служит трансформатор для преобразования электрической энергии переменного тока посредством электромагнитной индукции без изменения частоты тока. Используют трансформаторы как для преобразования переменного напряжения, так и для гальванической развязки в различных сферах электротехники и электроники.

Справедливости ради отметим, что в некоторых случаях трансформатор может содержать и всего одну обмотку (автотрансформатор), а сердечник может и вовсе отсутствовать (ВЧ — трансформатор), однако в большинстве своем трансформаторы имеют сердечник (магнитопровод) из магнитомягкого ферромагнитного материала, и две или более изолированные ленточные или проволочные обмотки, охватываемые общим магнитным потоком, но обо всем по порядку. Рассмотрим, какие же бывают виды трансформаторов, как они устроены и для чего применяются.

Данный вид низкочастотных (50-60 Гц) трансформаторов служит в электрических сетях, а также в установках приема и преобразования электрической энергии. Почему называется силовой? Потому что именно этот тип трансформаторов применяется для подачи и приема электроэнергии на ЛЭП и с ЛЭП, где напряжение может достигать 1150 кВ.

В городских электросетях напряжение достигает 10 кВ. Посредством именно силовых низкочастотных трансформаторов напряжение также и понижается до 0,4 кВ, 380/220 вольт, необходимых потребителям.

Конструктивно типичный силовой трансформатор может содержать две, три или более обмоток, расположенных на броневом сердечнике из электротехнической стали, причем некоторые из обмоток низшего напряжения могут питаться параллельно (трансформатор с расщепленными обмотками).

Это удобно для повышения напряжения, получаемого одновременно с нескольких генераторов. Как правило, силовой трансформатор помещен в бак с трансформаторным маслом, а в случае особо мощных экземпляров добавляется система активного охлаждения.

Трансформаторы силовые трехфазные мощностью до 4000 кВА устанавливаются на подстанциях и электростанциях. Более распространены трехфазные, поскольку потери получаются до 15% меньше, чем с тремя однофазными.

Сетевые трансформаторы еще в 80-е и 90-е годы можно было встретить практически в любом электроприборе. С помощью именно сетевого трансформатора (обычно однофазного) напряжение бытовой сети 220 вольт с частотой 50 Гц понижается до уровня, требуемого электроприбору, например 5, 12, 24 или 48 вольт.

Часто сетевые трансформаторы выполняются с несколькими вторичными обмотками, чтобы несколько источников напряжения можно было бы использовать для питания различных частей схемы. В частности, трансформаторы ТН (трансформатор накальный) всегда можно было (да и сейчас можно) встретить в схемах, где присутствовали радиолампы.

Современные сетевые трансформаторы конструктивно выполняются на Ш-образных, стержневых или тороидальных сердечниках из набора пластин электротехнической стали, на которые и навиваются обмотки. Тороидальная форма магнитопровода позволяет получить более компактный трансформатор.

Если сравнить трансформаторы равной габаритной мощности на тороидальном и на Ш-образном сердечниках, то тороидальный будет занимать меньше места, к тому же площадь поверхности тороидального магнитопровода полностью охватывается обмотками, нет пустого ярма, как в случае с броневым Ш-образным или стержневым сердечниками. К сетевым можно отнести в частности и сварочные трансформаторы мощностью до 6 кВт. Сетевые трансформаторы, конечно, относятся к низкочастотным трансформаторам.

Одной из разновидностей низкочастотного трансформатора является автотрансформатор, у которого вторичная обмотка является частью первичной или первичная является частью вторичной. То есть в автотрансформаторе обмотки связаны не только магнитно, но и электрически. Несколько выводов делаются от единственной обмотки, и позволяют всего с одной обмотки получить различное напряжение.

Главное преимущество автотрансформатора — меньшая стоимость, поскольку расходуется меньше провода для обмоток, меньше стали для сердечника, в итоге и вес получается меньше, чем у обычного трансформатора. Недостаток — отсутствие гальванической развязки обмоток.

Автотрансформаторы находят применение в устройствах автоматического управления, а также широко используются в высоковольтных электросетях. Трехфазные автотрансформаторы с соединением обмоток в треугольник либо в звезду в электрических сетях весьма востребованы сегодня.

Силовые автотрансформаторы выпускаются на мощности вплоть до сотен мегаватт. Применяют автотрансформаторы и для пуска мощных двигателей переменного тока. Автотрансформаторы особенно целесообразны при невысоких коэффициентах трансформации.

Частным случаем автотрансформатора является лабораторный автотрансформатор (ЛАТР). Он позволяет плавно регулировать напряжение, подаваемое к потребителю. Конструкция ЛАТРа представляет собой тороидальный трансформатор с единственной обмоткой, которая имеет неизолированную «дорожку» от витка к витку, то есть имеется возможность подключения к каждому из витков обмотки. Контакт с дорожкой обеспечивается скользящей угольной щеткой, которая управляется поворотной ручкой.

Так можно получить на нагрузке действующее напряжение различной величины. Типичные однофазные ЛАТРы позволяют получать напряжение от 0 до 250 вольт, а трехфазные — от 0 до 450 вольт. ЛАТРы мощностью от 0,5 до 10 кВт очень популярны в лабораториях для целей наладки электрооборудования.

Трансформатором тока называется трансформатор, первичная обмотка которого подключается к источнику тока, а вторичная — к защитным или измерительным приборам, имеющим малые внутренние сопротивления. Наиболее распространенным типом трансформатора тока является измерительный трансформатор тока.

Первичная обмотка трансформатора тока (обычно — всего один виток, один провод) включается последовательно в цепь, в которой требуется измерить переменный ток. Получается в результате, что ток вторичной обмотки пропорционален току первичной, при этом вторичная обмотка обязательно должна быть нагружена, ибо иначе напряжение вторичной обмотки может получиться достаточно высоким, чтобы пробить изоляцию. Кроме того, если вторичную обмотку ТТ разомкнуть, то магнитопровод просто выгорит от наведенных некомпенсированных токов.

Конструкция трансформатора тока представляет собой сердечник из шихтованной кремнистой холоднокатаной электротехнической стали, на который намотана одна или несколько изолированных обмоток, являющихся вторичными. Первичная обмотка зачастую — просто шина, либо пропущенный через окно магнитопровода провод с измеряемым током (на этом принципе, кстати, работают токоизмерительные клещи). Главная характеристика трансформатора тока — коэффициент трансформации, например 100/5 А.

Для измерения тока и в схемах релейной защиты трансформаторы тока применяются достаточно широко. Они безопасны, поскольку измеряемая и вторичная цепи гальванически изолированы друг от друга. Обычно промышленные трансформаторы тока выпускаются с двумя или более группами вторичных обмоток, одна из которых подключается к защитным устройствам, другая — к устройству измерения, например к счетчикам.

Почти во всех современных сетевых блоках питания, в разнообразных инверторах, в сварочных аппаратах, и в прочих силовых и маломощных электрических преобразователях применяются импульсные трансформаторы. Сегодня импульсные схемы почти полностью вытеснили тяжелые низкочастотные трансформаторы с сердечниками из шихтованной стали.

Типичный импульсный трансформатор представляет собой трансформатор выполненный на ферритовом сердечнике. Форма сердечника (магнитопровода) может быть совершенно различной: кольцо, стержень, чашка, Ш-образный, П-образный. Преимущество ферритов перед трансформаторной сталью очевидно — трансформаторы на феррите могут работать на частотах до 500 и более кГц.

Поскольку импульсный трансформатор является высокочастотным трансформатором, то и габариты его с ростом частоты значительно снижаются. На обмотки требуется меньше провода, а для получения высокочастотного тока в первичной цепи достаточно полевого, IGBT или биполярного транзистора, иногда — нескольких, в зависимости от топологии импульсной схемы питания (прямоходовая — 1, двухтактная — 2, полумостовая — 2, мостовая — 4).

Справедливости ради отметим, что если применяется обратноходовая схема питания, то трансформатор по сути является сдвоенным дросселем, поскольку процессы накопления и отдачи электроэнергии во вторичную цепь разделены во времени, то есть они протекают не одновременно, поэтому при обратноходовой схеме управления это все же дроссель, а не трансформатор.

Импульсные схемы с трансформаторами и дросселями на феррите встречаются сегодня всюду, начиная от балластов энергосберегающих ламп и зарядных устройств различных гаджетов, заканчивая сварочными аппаратами и мощными инверторами.

Импульсный трансформатор тока

Для измерения величины и (или) направления тока в импульсных схемах часто применяют импульсные трансформаторы тока, представляющие собой ферритовый сердечник, зачастую — кольцевой (тороидальный), с единственной обмоткой. Через кольцо сердечника продевают провод, ток в котором нужно исследовать, а саму обмотку нагружают на резистор.

Например, кольцо содержит 1000 витков провода, тогда соотношение токов первичной (продетый провод) и вторичной обмотки будет 1000 к 1. Если обмотка кольца нагружена на резистор известного номинала, то измеренное напряжение на нем будет пропорционально току обмотки, а значит измеряемый ток в 1000 раз больше тока через этот резистор.

Промышленностью выпускаются импульсные трансформаторы тока с различными коэффициентами трансформации. Разработчику остается только подключить к такому трансформатору резистор и схему измерения. Если требуется узнать направление тока, а не его величину, то обмотка трансформатора тока нагружается просто двумя встречными стабилитронами.

Связь между электрическими машинами и трансформаторами

В курсы электрических машин, изучаемые на всех электротехнических специальностях учебных заведений, включают всегда и электрические трансформаторы. По существу, электрический трансформатор — не электрическая машина, а электрический аппарат, так как он не имеет движущихся частей, наличие которых является характерным признаком всякой машины как разновидности механизма. По этой причине упомянутые курсы следовало бы, во избежание недоразумений, называть «курсами электрических машин и электрических трансформаторов».

Включение трансформаторов во все курсы электрических машин объясняется двумя причинами. Одна из них — исторического происхождения: те же заводы, которые строили электрические машины переменного тока, строили и трансформаторы, так как лишь наличие трансформаторов давало то преимущество машинам переменного тока над машинами постоянного тока, которое в конечном счете привело к их преобладанию в промышленности. И сейчас нельзя представить себе крупной установки переменного электрического тока без трансформаторов.

Однако, по мере развития производства машин переменного тока и трансформаторов, сделалось необходимым сосредоточение производства трансформаторов на специальных трансформаторостроительных заводах. Дело в том, что, в связи с возможностью передачи электроэнергии переменного тока при помощи трансформаторов на большие расстояния, рост высшего напряжения трансформаторов шел значительно быстрее, чем рост напряжения электрических машин переменного тока.

На нынешней стадии развития электрических машин переменного тока наивысшим рациональным напряжением для них является 36 кВ. В то же время высшее напряжение в реально осуществленных электрических трансформаторах достигло 1150 кВ. Столь высокие напряжения трансформаторов и работа их на воздушные линии электропередачи, подверженные воздействию грозовых разрядов, породили много специфических трансформаторных проблем, чуждых электрическим машинам.

Это привело при производстве к технологическим проблемам, столь отличающимся от технологических проблем электромашиностроения, что выделение трансформаторов в самостоятельное производство стало неизбежным. Таким образом, первая причина — производственная связь, роднившая трансформаторы с электрическими машинами, исчезла.

Вторая причина — принципиального характера, состоящая в том, что в основе применяемых на практике электрических трансформаторов, так же как и электрических машин, лежит принцип электромагнитной индукции (закон Фарадея), — остается незыблемой связью между ними. При этом, для понимания многих явлений в машинах переменного тока, знание физических процессов, протекающих в трансформаторах, совершенно необходимо и, кроме того, теория большого класса машин переменного тока может быть сведена к теории трансформаторов, благодаря чему облегчается их теоретическое рассмотрение.

В силу этого, в теории машин переменного тока теория трансформаторов занимает прочное место, из чего, однако, не следует, что трансформаторы можно называть электрическими машинами. Кроме того, нужно иметь в виду, что у трансформаторов целевая установка и процесс преобразования энергии другие, чем у электрических машин.

Цель электрической машины состоит в том, чтобы преобразовать механическую энергию в электрическую энергию (генератор) или, обратно, электрическую энергию в механическую энергию (двигатель), между тем, в трансформаторе мы имеем дело с преобразованием электрической энергии переменного тока одного вида в электрическую энергию переменного тока другого вида.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник