Мы привыкли к тому, что напряжение в розетке всегда 220 В. Возможно не все читатели подозревают, что прежде чем поступить к потребителю, выполнялись преобразования электрической энергии. Перед поступлением на провода ЛЭП, напряжение переменного тока увеличивали до десятков, а то и сотен киловольт, а на выходе – понижали, до привычных нам 220 В. Эти преобразования выполнили силовые трансформаторы. В данной статье я расскажу вам, что такое трансформатор простыми словами.
Потребность в преобразования переменного напряжения возникает практически на каждом шагу. Чаще всего мы испытываем необходимость в понижении напряжения, так как большинство узлов современных электронных устройств работает при низких напряжениях. Однако для некоторых цепей высоковольтных узлов требуются значительные напряжения, порядка нескольких тысяч вольт.
Рис. 1. Промышленный трансформатор
Что такое трансформатор?
Если коротко, то это стационарное устройство, используемое для преобразования переменного напряжения с сохранением частоты тока. Действие трансформатора основано на свойствах электромагнитной индукции.
Немного исторических фактов
В основу действия трансформатора легло явление магнитной индукции, открытое М. Фарадеем в 1831 г. Физик, работая с постоянным электрическим током, заметил отклонение стрелки гальванометра, подключенного к одной из двух катушек, намотанных на сердечник. Причем гальванометр реагировал только в моменты коммутации первой катушки.
Поскольку опыты проводились от источника постоянного тока, Фарадей не смог объяснить открытое явление.
Прообраз трансформатора появился лишь в 1848 году. Его изобрел немецкий механик Г. Румкорф, называя устройство индукционной катушкой особой конструкции. Однако Румкорф не заметил трансформации выходных напряжений.Датой рождения первого трансформатора считается день выдачи патента П. Н. Яблочкову на изобретение устройства с разомкнутым сердечником. Это случилось 30.11.1876 года.
Типы аппаратов с замкнутыми сердечниками появились в 1884 году. Их создали англичане Джон и Эдуард Гопкнинсоны.
По большому счету, технический интерес у электромехаников к переменному току возник только благодаря изобретению трансформатора. Идеи российского электротехника М. О. Доливо-Добровольского и всемирно известного Николы Тесла победили в спорах о преимуществах переменных напряжений именно благодаря возможности трансформации тока.
С победой идей этих великих электротехников потребности в трансформаторах резко выросла, что привело к их усовершенствованию и созданию новых типов приборов.
Общее устройство и принцип работы
Рассмотрим конструкцию простого трансформатора, с двумя катушками насаженных на замкнутый магнитопровод (см. Рис. 2). Катушку, на которую поступает ток, будем называть первичной, а выходную катушку – вторичной.
Рисунок 2. Устройство трансформатора
Фактически все типы трансформаторов используют электромагнитную индукцию для преобразования напряжения поступающего в цепь первичной обмотки. При этом выходное напряжение снимается из вторичных обмоток. Они различаются только по форме, материалам магнитопроводов и способам наматывания катушек.
Ферромагнитные сердечники применяются в низкочастотных моделях. Для таких сердечников используются материалы:
- сталь;
- пермаллой;
- феррит.
В некоторых высокочастотных моделях магнитопроводы могут отсутствовать, а в некоторых изделиях применяют материалы из высокочастотного феррита или альсифера.
В связи с тем, что для характеристик ферромагнетиков характерна нелинейность намагничивания, сердечники набирают из листовых материалов, на которые надевают обмотки. Нелинейная индуктивность приводит к гистерезису, для уменьшения которого применяют метод шихтования магнитопроводов.
Форма сердечника может быть Ш-образной или торроидальной.
Рисунок 3. Внешний вид трансформатора
Базовые принципы действия
Когда на выводы первичных обмоток поступает синусоидальный ток, то он во второй катушке создает переменное магнитное поле, пронизывающее магнитопровод. В свою очередь, изменение магнитного потока провоцирует наведение ЭДС в катушках. При этом величина напряжения ЭДС в обмотках находится в пропорциональной зависимости от количества витков и частоты тока. Отношение количества витков в цепи первичной обмотки к числу витков вторичной катушки называется коэффициентом трансформации: k = W1 / W2, где символами W1 и W2 обозначено количество витков в катушках.
Если k > 1, то трансформатор повышающий, а при 0 < k < 1 – понижающий. Например, когда число витков, из которых состоит первичная обмотка, в три раза меньше количества вторичных витков, то k = 1/3, тогда U2 = 1/3 U1.
Режимы работы
Силовой трансформатор может работать в трех режимах:
- в состоянии холостого хода;
- в режиме нагрузки;
- в короткозамкнутом режиме.
Поскольку в цепи разомкнутой вторичной обмотки отсутствует ток, то в таком состоянии по первичной обмотке циркулирует ток холостого хода. Параметры этого тока используют при расчетах КПД, определяют коэффициент трансформации, находят потери в сердечнике.
Основным рабочим режимом трансформатора является состояние, когда к его второй обмотке подключена номинальная нагрузка. Первичный ток можно выразить через результирующую тока холостого хода и расчетного тока сопротивления нагрузки.
В режиме короткого замыкания вторичной обмотки, вся мощность концентрируется в цепях обмоток. В таком состоянии можно определить потери, расходуемые на нагревание проводов в обмотках.
Последовательность действия и характеристики
Независимо от конструктивной разновидности постоянный ток поступает на первичную обмотку. При этом для питания полевого транзистора требуется создание прямоугольной волны амплитудой от 0 В до + 12 В, а трансформатор будет нуждаться в первичной форме волны, которая имеет среднее значение, близкое к нулю.
Магнитный поток в ядре не сбрасывается, поэтому где-то вдоль линии получается насыщение. В результате остаточный поток, оставшийся от одного цикла переключения, создается следующим циклом: считается, что высокочастотный трансформатор «уходит в насыщение».
Параметры тока и напряжения на первичной обмоткой трансформатора изменяются с помощью однополярного истокового повторителя, причем рабочий диапазон достигает 12 В. При малой нагрузке те же колебания воспроизводятся и вторичной обмоткой. Однако имеются и отличия. Ток в первичной обмотке течет только в одном направлении. При высоком напряжении он увеличивается с одной скоростью, а при низком – с другой.
Важно! Когда выходной сигнал становится низким, ток отключается гораздо быстрее, что искажает его форму. Поэтому применяется управление трансформатором с помощью биполярного сигнала, когда ток, симметрично протекает в обоих направлениях.
Рабочие параметры устройств включают в себя:
- Импульс: гарантирует, что индуктивность остается в заданном диапазоне и избегает насыщения.
- Функционал режима переключения, который содержит три дросселя и переключающий трансформатор.
- Способ обратной связи – по выходному напряжению, которое является функцией удержания тока в трансформаторе (реже встречается обратный вариант, с управлением по току).
- Рабочее напряжение на инверторе – от 1000 В, при низком входном напряжении.
- Тип изоляции. Рассчитывается на общее напряжение в диапазоне 15 … 200 В.
Основные применения: установки возобновляемой энергетики, гибридные транспортные средства, промышленные приводы, а также устройства, предназначенные для управления энергораспределением.
Технические характеристики
Важной характеристикой являются коэффициенты трансформации. Они показывают зависимость выходного напряжения от соотношения витков в обмотках. Коэффициент трансформации является базовым параметром при расчете.
Другая важная характеристика трансформатора – его КПД. В некоторых аппаратах этот показатель составляет 0,9 – 0,98, что характеризует незначительные потери магнитных полей рассеяния. Мощность P зависит от площади S сечения магнитопровода. По значению S, при расчетах параметров трансформатора, определяют количество витков в катушках: W = 50 / S.
На практике мощность выбирают исходя из предполагаемой нагрузки, с учетом потерь в сердечнике. Мощность вторичной обмотки Pн= Uн× Iн, а мощность первичной катушки Pс= Uс× Iс. В идеале Pн = Pс (если пренебречь потерями в сердечнике). Тогда k = Uс / Uн = Iс / Iн , то есть, токи в каждой из обмоток имеют обратно пропорциональную зависимость от их напряжений, следовательно, и от количества витков.
Особенности конструкции и использования
Позициями, по которым производится выбор рассматриваемых устройств, являются:
- Потребляемые входные напряжения, В – 0….15000.
- Напряжения на выходе, В – 0….6000.
- Реактивная мощность, кВА – 0,25….5000 (для авторитетных производителей эта характеристики не зависят от длительности узла).
- Коэффициент мощности нагрузки – 0…100% (по отставанию или по опережению).
- Частота, Гц – 20…100000.
- Фазность сети – одно- или трехфазная.
- Электростатическое экранирование – обязательно, может включать в себя один или несколько защитных экранов.
- Исполнение корпуса – для работы в обычной или агрессивной среде.
Важным параметром выбора считается материал сердечников. Используются два типа конструкции. В оболочечном типе обмотки располагаются на общей ножке сердечника, а в трансформаторе с сердечником обмотки намотаны на разные ветви трансформатора. Ввиду того, что главной задачей эффективного использования высокочастотного трансформатора является обеспечить максимальную связь потока, то толщина проволоки выбирается с учетом рабочего тока, который будет питать устройство. Реже встречаются третичные обмотки высокочастотных трансформаторов.
Основные материалы, используемые для изготовления сердечников, определяются назначением устройства. Например, силовые трансформаторы, работающие на частоте сети, могут иметь мягкие железные сердечники для магнитного соединения первичной и вторичной обмоток.
Важно! Для высокочастотных трансформаторов мягкое железо является неудовлетворительным, потому что материал имеет слишком много «памяти» – то есть достаточно инерционен, чтобы обратить магнитное поле тогда, когда ток в первичной обмотке меняется на противоположный.
Для аудиотрансформаторов используют преимущественно железо, модифицированное кремнием или никелем- элементами, которые снижают эффект памяти. В конструкциях радиочастотных трансформаторов используются компактированные порошковые материалы – ферриты.
Способы намотки тоже разные. Высокочастотные преобразователи в аудиотехнике нуждаются в быстрой реакции на изменения магнитного поля, поэтому при их производстве укладывают первичную и вторичную обмотки поверх определенного места на ядре.
Наибольшей оперативности в управлении требуют радиочастотные трансформаторы, поэтому они часто наматываются бифилярно, когда первичный и вторичный провода одновременно наматываются вокруг сердечника. Такой метод минимизирует потери и обеспечивает прямую магнитную связь между обмотками.
Виды трансформаторов
С целью решения вопросов трансформации напряжения в различных цепях изобретены трансформаторы самых разных конструкций. Производители выбирают свои концепции магнитопроводов (см. рис. 4), которые не влияют на работу и параметры приборов:
- стержневой тип (применяется в основном для трехфазных конструкций);
- броневой тип (трехфазные аппараты);
- тороидальный тип сердечника часто используется в трансформаторах, применяемых в различных электротехнических устройствах.
Виды магнитопроводов
Более широкий спектр охватывает классификация по назначению.
Силовые
Назначения силового трансформатора понятно из названия. Термин силовые применяется к семейству моделей, как правило, большой мощности, используемых для преобразования электрической энергии в сетях ЛЭП и в различных обслуживающих установках.
При трансформации сохраняются частоты переменного тока, поэтому возможно подключение силовых трансформаторов в группы для работы в высоковольтных трехфазных сетях.
Силовые аппараты могут соединяться в группы с различными схемами подключения обмоток: по принципу звездочки, треугольником или зигзагом. Схема звездочка оправдана, если в трехфазных сетях нагрузка симметрическая. В противном случае предпочтения отдают треугольнику. При таком способе подключения токи первичной обмотки подмагничивают по отдельности каждый стержневой магнитопровод.
Тогда однофазное сопротивление приблизится к расчетному, а перекос напряжений будет устранен.
Автотрансформаторы
Группа устройств, в которых первичная и вторичная обмотки за счет их прямого соединения между собой образуют электрическую связь, называется автотрансформаторами. Характерным признаком этой группы является несколько пар выводов, к которым можно подключить нагрузку.
Обмотки автотрансформаторов имеют не только магнитную, но и электрическую связь. Они нашли применение в соединениях заземленных сетей, работающих под напряжением, превышающим 110 кВ, но при низких коэффициентах трансформации – не более 3 – 4.
Тока
Можно первичную обмотку подключить последовательно в электрическую цепь с другими устройствами и получить гальваническую развязку. Такие приборы получили названия трансформаторов тока. Первичную цепь таких устройств контролируют путём изменения однофазной нагрузки, а вторичную катушку используют в цепях измерительных приборов или сигнализации. Второе название приборов – измерительные трансформаторы.
Особенностью работы измерительных трансформаторов является особый режим выходной обмотки. Она функционирует в критическом режиме короткого замыкания. При разрыве вторичной цепи возникает резкое повышение напряжения в ней, что может вызвать пробои или повреждение изоляции.
Трансформатор тока
Напряжения
Типичное применение – изоляция логических цепей защиты измерительных приборов от высокого напряжения. Трансформатор напряжения – это понижающий прибор, преобразующий высокое напряжение в более низкое.
Импульсные
В работе современной электронике применяются высокочастотные сигналы, которые часто необходимо отделить от других сигналов. Задача импульсных трансформаторов – преобразования импульсных сигналов с сохранением формы импульса.
Для высокочастотных импульсных аппаратов выдвигаются требования о максимальном сохранении формы импульса на выходе. Имеет значение именно форма, а не амплитуда и даже не знак.
Сварочные
В работе сварочного аппарата важен большой сварочный ток. При этом, сетевое напряжение понижают до безопасного уровня. Благодаря мощному электрическому току дуговой разряд сварочного аппарата плавит металл.
В сварочном трансформаторе имеется возможность ступенчатого регулирования величины тока во вторичных цепях способом изменения индуктивного сопротивления, либо путем секционирования одной из обмоток.
Фото устройства представлено на рисунке 6. Обратите внимание на наличие коммутирующего переключателя.
Рис. 6. Трансформатор для сварочного полуавтомата на броневом магнитопроводе
В сварочных аппаратах применяют конструкции на основе однофазных трансформаторов, а также с применением трехфазных трансформаторов. Для сварки некоторых металлов, например, нержавейки, сварочный ток выпрямляют.
Разделительные
Устройства, в которых нет электрической связи между обмотками, называют резделительными трансформаторами. Силовые разделительные аппараты применяются для повышения безопасности электросетей. Другая область применения разделительных трансформаторов – обеспечение гальванической развязки между отдельными узлами электрических цепей.
Согласующие
Данные типы аппаратов применяют для согласования сопротивления каскадов электронных схем. Они обеспечивают минимальное искажение формы сигналов, создают гальванические развязки между узлами электронных устройств.
Пик-трансформаторы
Аппараты, преобразующие синусоидальные токи в импульсные напряжения. Полярность выходных напряжений меняется через каждых полпериода.
Воздушные и масляные
Силовые трансформаторы бывают сухими (с воздушным охлаждением) (см. рис. 7) и масляными (см. рис. 8).
Модели сухих силовых трансформаторов чаще всего используют для преобразований сетевых напряжений, в том числе и в схемах трехфазных сетей.
Рисунок 7. Сухой трехфазный трансформатор
При подключении нагрузки происходит нагревание обмоток, что грозит разрушением электрической изоляции. Поэтому в сетях с напряжениями свыше 6 кВ работают приборы с масляным охлаждением. Специальное трансформаторное масло повышает надежность изоляции, что очень важно при больших выходных мощностях.
Рис. 8. Строение промышленного трансформатора с масляным охлаждением
Сдвоенный дроссель
Конструктивно такой аппарат является трансформатором с одинаковыми катушками. Катушки одинаковой мощности образуют встречный индуктивный фильтр. Эффективность аппарата выше, чем у дросселя (при одинаковых размерах).
Вращающиеся
Применяются для обмена сигналами с вращающимися барабанами. Конструктивно состоят из двух половинок магнитопровода с катушками. Эти части вращаются относительно друг друга. Обмен сигналами происходит при больших скоростях вращения.
Основные детали и системы силового трансформатора
Металлический корпус предназначен для размещения внутри него электрического оборудования трансформатора. Он представляет собой герметичный бак с крышкой, заполненный трансформаторным маслом. Такой сорт масла имеет высокие диэлектрические качества, с его помощью отводится тепло от деталей, подверженных значительным токовым нагрузкам.
Охлаждение трансформатора осуществляется с помощью гидравлической системы. Залив и слив масла производится с использованием задвижек и вкручивающихся пробок. Отбор масла для химического анализа производится через запорный вентиль, расположенный в нижней части бака.
Циркуляция масла в силовом трансформаторе происходит по двум контурам – внешнему и внутреннему. В состав внешнего контура входит радиатор, состоящий из верхнего и нижнего коллекторов, соединенных между собой металлическими трубками. Нагретое масло проходит через магистрали охладителя, остывает и вновь поступает в бак. Внутри бака масло может циркулировать естественным путем или принудительно под действием давления, создаваемого насосами. Теплообмен значительно улучшается за счет специальных гофр, устанавливаемых на поверхности бака.
Важнейшим элементом силового трансформатора является его электрическая схема. Все ее элементы размещаются внутри корпуса. Верхняя и нижняя балки составляют остов, на котором крепятся все остальные детали. В состав схемы входит магнитопровод, обмотки высокого и низкого напряжения, высоковольтные и низковольтные отводы, регулировочные ответвления обмоток. В нижней части располагаются вводы высокого и низкого напряжения.
