Принцип работы трансформатора

Принцип работы трансформатора

С открытием и началом промышленного использования электричества возникла необходимость создания систем его преобразования и доставки к потребителям. Так появились трансформаторы, о принципе действия которых и пойдет речь.

Появлению их на свет предшествовало открытие явления электромагнитной индукции великим английским физиком Майклом Фарадеем почти 200 лет назад. Позже он и его американский коллега Д. Генри нарисовали схему будущего трансформатора.

Первое воплощение идеи в железо состоялось в 1848 году с создания индукционной катушки французским механиком Г. Румкорфом. Свою лепту внесли и российские ученые. В 1872 году профессор Московского университета А. Г. Столетов открыл петлю гистерезиса и описал структуру ферромагнетика, а 4 года спустя, выдающийся российский изобретатель П. Н. Яблочков получил патент на изобретение первого трансформатора переменного тока.

Чтобы понять, как работает силовой трансформатор, надо разбираться в понятии индукции. Именно на ней основана львиная доля современной электроники. Суть этого явления в том, что при прохождении через проводник ток создает переменное электрическое поле. Движение электронов в свою очередь порождает переменное магнитное поле, которое при попадании в другой проводник породит так переменное электрическое поле.

То есть, если поставить рядом два проводника, причем один из них подключить к источнику тока, а другое не подключать – электричество будет течь в обоих проводниках. Причем во втором проводнике направление тока будет противоположным таковому в исходном варианте.

Свойство индукции используется достаточно часто: в усилителях, передатчиках и, конечно, школьных опытах

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).

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор – трансформатор, в котором отсутствуют потери энергии. В таком трансформаторе энергия тока в первичной обмотке полностью преобразуется сначала в энергию магнитного поля, а далее – в энергию вторичной обмотки.

Конечно, такого трансформатора не существует в природе. Тем не менее, в случае, когда теплопотерями можно пренебречь, в расчетах удобно пользоваться формулой для идеального трансформатора, согласно которой мощности тока в первичной и вторичной обмотках равны.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Режимы работы

Холостой ход (ХХ)

Такой порядок работы реализуется от размыкания вторичной сети, после чего в ней прекращается течение электротока. В первичной обмотке течет ток холостого хода, составной его элемент — ток намагничивающий.

Когда вторичный ток равен нулю, электродвижущая сила индукции в первичной обмотке целиком возмещает напряжение питающего источника, а потому при пропаже нагрузочных токов, идущий сквозь первичную обмотку ток по своему значению соответствует току намагничивающему.

Функциональное назначение работы трансформаторов вхолостую — определение их важнейших параметров:

  • КПД;
  • показателя трансформирования;
  • потерь в магнитопроводе.

Режим нагрузки

Режим характеризуется функционированием устройства при подаче напряжения на вводы первичной цепи и подключении нагрузки во вторичной. Нагружающий ток идет по «вторичке», а в первичной — суммарный ток нагрузки и ток холостой работы. Этот режим функционирования считается для прибора преобладающим.

На вопрос, как работает трансформатор в основном режиме, отвечает основной закон ЭДС индукции. Принцип таков: подача нагрузки к вторичной обмотке вызывает образование во вторичной цепи магнитного потока, образующего в сердечнике нагружающий электроток. Направлен он в сторону, противоположную его течению, создающегося первичной обмоткой. В первичной цепи паритет электродвижущих сил поставщика электроэнергии и индукции не соблюдается, в первичной обмотке осуществляется повышение электротока до того времени, пока магнитный поток не вернется к своему исходному значению.

Короткое замыкание (КЗ)

Переход прибора в этот режим осуществляется при кратковременном замыкании вторичной цепи. Короткое замыкание — особый тип нагрузки, прилагаемая нагрузка — сопротивление вторичной обмотки — единственная.

Принцип работы трансформатора в режиме КЗ таков: к первичной обмотке приходит незначительное переменное напряжение, выводы вторичной соединяются накоротко. Напряжение на входе устанавливается с таким расчетом, чтобы величина замыкающего тока соответствовала величине номинального электротока устройства. Величина напряжения определяет энергопотери, приходящиеся на разогрев обмоток, а также на активное сопротивление.

Такой режим характерен для приборов измерительного типа.

Исходя из многообразия устройств и видов назначения трансформаторов, можно с уверенностью сказать, что на сегодня они — незаменимые, использующиеся практически повсеместно устройства, благодаря которым обеспечивается стабильность и достижение необходимых потребителю значений напряжения, как гражданских сетей, так и сетей предприятий промышленности.

Устройство трехфазного силового трансформатора

Основными частями трансформатора являются магнитопровод и обмотка. Магнитопровод собирается из листов электротехнической стали толщиной 0,3-0,5мм. Изоляция листов представляет собой покрытие лаковой пленкой листа стали с обеих сторон. Магнитопровод разделяется на стержни и ярмо. Стержень это вертикальная часть магнитопровода, на которую насаживается обмотка. Ярмо – это горизонтальная часть, которая замыкает магнитный поток.

Трехфазные трансформаторы чаще всего выполняются с тремя стержнями (стержневой тип), на которых располагаются три обмотки. Соединение стержней и ярма бывает двух видов – стыковое и шихтованное. Стыковое соединение – ярмо и стержни крепятся соединительными деталями, при этом удобно снимать обмотки. При шихтованном соединении – ярмо и стержни собираются листами стали внахлест, в этом случае уменьшается магнитное сопротивление магнитопровода за счет уменьшения воздушного зазора. Также механическая прочность шихтованного соединения выше, чем у стыкового соединения.

Обмотки трансформатора выполняют из медного проводника круглого или квадратного сечения. Изоляцией выступает кабельная бумага или хлопчатобумажная пряжа.

Магнитопровод с баком заземляют, для безопасности на случай обрыва обмотки.

В масляных трансформаторах магнитопровод с обмоткой опускают в бак, залитый трансформаторным маслом. Масло отбирает тепло от обмоток. Характеристики масла выше, чем у воздуха, следовательно, габариты масляного трансформатора и сухого трансформатора одной мощности более выигрышны у масляного трансформатора.

При изменении климатических условий уровень масла может меняться. Происходит это не в баке трансформатора, а в специальном расширителе, который представляет собой сосуд на крышке бака, сообщающимся с ним.

При ненормальных режимах, таких как короткие замыкания, может изменяться давление масла, из-за выделения газов в масле. Для сброса этого давления на трансформаторах используют выхлопную трубу. На верхней части трубы находится стеклянная пластина. При повышении давления пластина разлетается, и давление выходит из трансформатора.

Читайте также  Жидкая резина для бассейнов

На мощных трансформаторах предусмотрено газовое реле. При повышении давления из-за выброса газов (например, при коротких замыканиях внутри трансформатора) происходит срабатывание реле и идет сигнал на отключение выключателя. После чего трансформатор отключается от сети.

Соединение обмоток с сетью происходит через ввода трансформатора. Они бывают различной конструкции: с главной изоляцией фарфоровой покрышки, конденсаторные проходные изоляторы, с бумажно-масляной, полимерной, элегазовой, маслобарьерной изоляцией.

В трансформаторах встречается возможность изменять число витков обмоток (группы соединения обмоток). Для этих целей используются ПБВ (переключатель числа витков без возбуждения) и РПН (регулирование числа витков под нагрузкой).

Фазировка

Фазировка трансформатора – это испытание его выходов, когда в одну цепь подключены несколько приборов параллельно. Ведь обязательное условие эффективной работы цепи с отсутствием больших потерь мощности – это правильное соединение фаз между собой, чтобы образовался замкнутый контур.

Если фазы не совпадут, то падает мощности и растет нагрузка. Если не совпадает чередование фаз, то произойдет короткое замыкание.

Типы трансформаторов

В соответствии со своими параметрами и характеристиками, все виды трансформаторов разделяются:

  • По количеству фаз могут быть одно- или трехфазными
  • В соответствии с числом обмоток, трансформаторы бывают двух- или трехобмоточными, а также двух- или трехобмоточными с расщепленной обмоткой
  • По типу изоляции – сухие (С) и масляные (М) или с негорючим заполнением (Н)
  • По видам охлаждения – с естественным масляным охлаждением (М), с масляным охлаждением и воздушным дутьем (Д), принудительная циркуляция масляного охлаждения (Ц), сухие трансформаторы с воздушным охлаждением (С). Кроме того, существуют устройства без расширителей, для защиты которых используется азотная подушка.

Немного из истории

Изобретение трансформаторов начиналось ещё в 1876 году, великим русским учёным П.Н. Яблоковым. Тогда его изделие не имело замкнутого сердечника, который появился значительно позже – 1884 год. И с появлением прибора учёные активно стали интересоваться переменным током.

Например, уже в 1889 году, М.О. Доливо-Добровольским (русским электротехником) была предложена трёхфазная система переменного тока. Им был построен первый 3-х фазный асинхронный двигатель и трансформатор.

Уже через пару лет, электромеханик предоставил свои работы на выставке, где произошла презентация трёхфазной высоковольтной линии, имеющую протяженность 175 км, где успешно повышалась и понижалась электроэнергия.

Немного позже, пришла очередь масляным агрегатам, так как масло не только оказалось хорошим изолятором, но и прекрасной охлаждающей средой.

В 20 столетии появились изделия более компактные и экономичные. Производителями продукции являлись иностранные фирмы. На настоящий момент, выпуском продукции занимаются и отечественные фирмы.