Трансформаторът е устройство, което преобразува напрежението променлив ток(увеличаване или намаляване). Трансформаторът се състои от няколко намотки (две или повече), които са навити на обща феромагнитна сърцевина. Ако трансформаторът се състои само от една намотка, тогава той се нарича автотрансформатор. Съвременните токови трансформатори са: прътови, бронирани или тороидални. И трите вида трансформатори имат сходни характеристики и надеждност, но се различават един от друг по начина на производство.

При прътовите трансформатори намотката е навита върху сърцевината, а при прътовите трансформатори намотката е включена в сърцевината. В прътовия трансформатор намотките са ясно видими и само долната и горната част се виждат от сърцевината. Ядрото на бронирания трансформатор скрива почти цялата намотка. Намотките на прътов трансформатор са разположени хоризонтално, докато това разположение в брониран трансформатор може да бъде вертикално или хоризонтално.

Независимо от вида на трансформатора, той включва следните три функционални части: магнитна система на трансформатора (магнитна сърцевина), намотки и охладителна система.

Принципът на работа на трансформатора

В трансформатора е обичайно да се прави разлика между първична и вторична намотка. Напрежението се подава към първичната намотка и напрежението се отстранява от вторичната. Работата на трансформатора се основава на закона на Фарадей (закона за електромагнитната индукция): променлив във времето магнитен поток през област, ограничена от верига, създава електродвижеща сила. Обратното също е вярно: променящ се електрически ток индуцира променящо се магнитно поле.

В трансформатора има две намотки: първична и вторична. Първичната намотка получава захранване от външен източник, а напрежението се отстранява от вторичната намотка. Променливият ток в първичната намотка създава променливо магнитно поле в магнитната верига, което от своя страна създава ток във вторичната намотка.

Режими на работа на трансформатора

Има три режима на работа на трансформатора: празен ход, режим на късо съединение, режим на работа. Трансформаторът е "на празен ход", когато изходите от вторичните намотки не са свързани никъде. Ако сърцевината на трансформатора е направена от мек магнитен материал, тогава токът на празен ход показва какви загуби възникват в трансформатора поради повторно намагнитване на сърцевината и вихрови токове.

В режим на късо съединение изходите на вторичната намотка са съединени накъсо и към първичната намотка се прилага малко напрежение, така че токът на късо съединение да е равен на номиналния ток на трансформатора. Стойността на загубите (мощност) може да се изчисли, ако напрежението във вторичната намотка се умножи по тока на късо съединение. Такъв трансформаторен режим намира своето техническо приложение в измерителните трансформатори.

Ако товарът е свързан към вторичната намотка, тогава в него възниква ток, предизвикващ магнитен поток, насочен противоположно на магнитния поток в първичната намотка. Сега, в първичната намотка, ЕМП на захранването и ЕМП на захранващата индукция не са равни, така че токът в първичната намотка се увеличава, докато магнитният поток достигне предишната си стойност.

За трансформатор в режим на активно натоварване е вярно равенството:
U_2/U_1=N_2/N_1, където U2, U1 са моментните напрежения в краищата на вторичната и първичната намотка, а N1, N2 са броят на навивките в първичната и вторичната намотка. Ако U2 > U1, трансформаторът се нарича повишаващ, в противен случай имаме понижаващ трансформатор. Всеки трансформатор обикновено се характеризира с числото k, където k е коефициентът на трансформация.

Видове трансформатори

Има няколко вида трансформатори в зависимост от тяхното приложение и характеристики. Например в електрическите мрежи на населени места, промишлени предприятия се използват силови трансформатори, чиято основна задача е да понижат напрежението в мрежата до общоприетото - 220 V.

Ако трансформаторът е предназначен да регулира тока, той се нарича токов трансформатор, а ако устройството регулира напрежението, то е трансформатор на напрежение. В конвенционалните мрежи се използват еднофазни трансформатори; в мрежи с три проводника (фаза, нула, земя) е необходим трифазен трансформатор.

Битов трансформатор, 220V е предназначен за защита домакински уредиот колебания на напрежението.

Заваръчният трансформатор е предназначен за разделяне на заваръчната и захранващата мрежа, за понижаване на напрежението в мрежата до стойността, необходима за заваряване.

Масленият трансформатор е предназначен за използване в мрежи с напрежение над 6000 волта. Дизайнът на трансформатора включва: магнитна верига, намотки, резервоар, както и капаци с входове. Магнитната верига се състои от 2 листа електротехническа стомана, които са изолирани един от друг, намотките обикновено са направени от алуминиева или медна тел. Регулирането на напрежението се извършва с помощта на клон, който е свързан към превключвателя.

Има два вида превключване на разклонения: превключване под товар - OLTC (регулиране под товар), както и без натоварване, след като трансформаторът е изключен от външната мрежа (PBV или превключване без възбуждане). Вторият метод за регулиране на напрежението стана по-широко разпространен.

Говорейки за видовете трансформатори, е невъзможно да не говорим за електронния трансформатор. Електронен трансформаторе специализиран източник на захранване, който се използва за преобразуване на напрежение 220V в 12 (24)V, при висока мощност. Електронният трансформатор е много по-малък от конвенционалния, със същите параметри на натоварване.

Уравнения на идеални трансформатори

За да се изчислят основните характеристики на трансформаторите, е обичайно да се използват прости уравнения, които всеки съвременен студент знае. За да направите това, използвайте концепцията за идеален трансформатор. Идеален трансформатор е такъв трансформатор, в който няма загуба на енергия за нагряване на намотките и вихрови токове. В идеалния трансформатор енергията на първичната верига се преобразува напълно в енергията на магнитното поле и след това в енергията на вторичната намотка. Ето защо можем да напишем:
P1=I1*U1=P2=I2*U2,
където P1, P2 са мощностите на електрическия ток съответно в първичната и вторичната намотка.

Трансформаторно ядро

Магнитната верига е плоча от електротехническа стомана, която концентрира магнитното поле на трансформатора. Напълно сглобена система с части, държащи трансформатора заедно, е ядрото на трансформатора. Частта от магнитната верига, към която са прикрепени намотките, се нарича сърцевина на трансформатора. Частта от магнитната верига, която не носи намотката и затваря магнитната верига, се нарича ярем.

В трансформатор прътите могат да бъдат подредени по различни начини, следователно има четири вида магнитни вериги (магнитни системи): плоска магнитна система, пространствена магнитна система, симетрична магнитна система и асиметрична магнитна система.

Намотка на трансформатора

Сега нека поговорим за намотката на трансформатора. Основната част от намотката е намотка, която обвива веднъж магнитната верига и в която се индуцира магнитно поле. Под намотката разбирайте сумата от завоите, EMF на цялата намотка е равна на сумата от EMF във всеки завой.

В силовите трансформатори намотката обикновено се състои от проводници с квадратно сечение. Такъв проводник също се нарича жилищен по друг начин. Квадратният проводник се използва за по-ефективно използване на пространството вътре в сърцевината. Като изолация за всяка жила може да се използва хартия или емайлиран лак. Две жила могат да бъдат свързани помежду си и да имат една изолация - този дизайн се нарича кабел.

Намотките са от следните видове: основни, регулиращи и спомагателни. Основната намотка се нарича, към която се подава ток или от която се отстранява ток (първични и вторични намотки). Намотка с изводи за регулиране на коефициента на трансформация на напрежението се нарича регулираща намотка.

Приложение на трансформатори

От училищния курс по физика е известно, че загубите на мощност в проводниците са право пропорционални на квадрата на силата на тока. Следователно, за предаване на ток на дълги разстояния, напрежението се увеличава и преди да се достави на потребителя, напротив, се понижава. В първия случай са необходими повишаващи трансформатори, а във втория - понижаващи. Това е основното приложение на трансформаторите.

Трансформаторите се използват и в силови вериги за домакински уреди. Например, телевизорите използват трансформатори с няколко намотки (за захранване на вериги, транзистори, кинескоп и др.).

1. Изолацията на трансформатора е базирана на безматрична вакуумна импрегнация и работи в среда с висока влажност на въздуха и в химически агресивна атмосфера.
2. Минимално освобождаване на енергия от изгаряне (например 43 kg за трансформатор 1600 kVA съответства на 1,1% от теглото). Други изолационни материали са практически незапалими, самозагасващи се и не съдържат никакви токсични добавки.
3. Устойчивост на замърсяване на трансформатора, дължаща се на самопочистващи се дискове за конвекционна намотка.
4. Дълъг пълзещ път по повърхността на навиващите дискове, които създават ефект на изолационни бариери.
5. Устойчивост на трансформатора на термичен удар дори при изключително ниски температури (-50°C).
6. Керамични дистанционни блокове (незапалими) между навиващите дискове.
7. Изолация на проводници стъкло-коприна.
8. Безопасна работа на трансформатора благодарение на специалната структура на намотката Ефектът на напрежението върху изолацията никога не надвишава напрежението на изолацията (макс. 10 V). Частичните разряди в изолацията са физически невъзможни.
9. Охлаждането на трансформатора се осъществява чрез вертикални и хоризонтални охлаждащи канали, а минималната дебелина на изолацията позволява работа на трансформатора при големи краткотрайни претоварвания в защитен корпус IP 45 без принудително охлаждане.
10. Изолационният цилиндър е изработен от практически негорим и самозагасящ се материал, подсилен с фибростъкло.
11. Намотка за ниско напрежение от стандартен проводник или фолио; като материал за навиване се използва мед.
12. Динамичната устойчивост на трансформатора към късо съединение се осигурява от керамични изолатори.

трансформатори- електромагнитни статични преобразуватели на електрическа енергия.Трансформаторите се наричат ​​електромагнитни устройства, които служат за преобразуване на променлив ток от едно напрежение в променлив ток от друго напрежение със същата честота и за пренос на електрическа енергия чрез електромагнитни средства от една верига в друга.

Основната цел на трансформаторите- промяна на AC напрежението. Трансформаторите се използват и за преобразуване на броя на фазите и честотата.

Токови трансформаторинаречени устройства, предназначени за преобразуване на ток от всякаква величина в ток, който може да бъде измерен от нормални устройства, както и за захранване на различни релета и намотки на електромагнити. Броят на навивките на вторичната намотка на токовия трансформатор е w2 > w1.

Характеристика на токовите трансформатори е тяхната работа в режим, близък до късо съединение, тъй като тяхната вторична намотка винаги е затворена до малко съпротивление.

Трансформатори на напрежениенаречени устройства, предназначени да преобразуват променлив ток с високо напрежение в променлив ток с ниско напрежение и да захранват паралелни бобини измервателни уредии реле. Принципът на работа и устройството на напреженовите трансформатори е подобен на принципа на работа на силовите трансформатори. Брой навивки на вторичната намотка w2< w1, так как все измерительные трансформаторы напряжения – понижающего типа.

Характеристика на работата на трансформатора за измерване на напрежение е, че неговата вторична намотка винаги се оказва затворена за високо съпротивление и трансформаторът работи в режим, близък до режим на празен ход, тъй като свързаните устройства консумират малък ток.

Най-разпространени са силови напреженови трансформатори, които се произвеждат от електротехническата индустрия с мощност над един милион киловолтампера и за напрежение до 1150 - 1500 kV.

За преноса и разпределението на електрическа енергия е необходимо да се увеличи напрежението на турбогенераторите и хидрогенераторите, инсталирани в електроцентралите от 16 - 24 kV до напрежения 110, 150, 220, 330, 500, 750 и 1150 kV, използвани в далекопроводи , и след това го намалете отново до 35 ; десет; 6; 3; 0,66; 0,38 и 0,22 kV за използване на енергия в промишлеността, селското стопанство и бита.

Тъй като в енергийните системи се извършват множество трансформации, мощността на трансформаторите е 7-10 пъти по-висока от инсталираната мощност на генераторите в електроцентралите.

Силовите трансформатори се произвеждат главно при честота 50 Hz.

Трансформатори с ниска мощностнамират широко приложение в различни електрически инсталации, системи за предаване и обработка на информация, навигационни и други устройства. Честотният диапазон, в който могат да работят трансформаторите, е от няколко херца до 105 Hz.

Според броя на фазите трансформаторите се делят на еднофазни, двуфазни, трифазни и многофазни.Силовите трансформатори се произвеждат предимно в трифазен вариант. Предлагат се за използване в еднофазни мрежи.

Класификация на трансформаторите според броя и схемите на свързване на намотките

Трансформаторите имат две или повече намотки, индуктивно свързани една с друга. Намотките, които консумират енергия от мрежата, се наричат ​​първични. Намотките, които доставят електрическа енергия на потребителя, се наричат ​​вторични.

Многофазни трансформаториимат намотки, свързани в многолъчева звезда или многоъгълник. Трифазните трансформатори имат връзка в трилъчева звезда и триъгълник.

Повишаващи и понижаващи трансформатори

В зависимост от съотношението на напреженията на първичната и вторичната намотка, трансформаторите се делят на повишаващи и понижаващи. AT повишаващ трансформатор първична намоткаима ниско напрежение, а вторичната е с високо напрежение. AT понижаващ трансформаторНапротив, вторичната намотка има ниско напрежение, а първичната има високо напрежение.

Наричат ​​се трансформатори с една първична и една вторична намотка двунамотка. Доста широко разпространено три намотъчни трансформаторас три намотки за всяка фаза, например две от страната на ниското напрежение, една от страната на високото напрежение или обратното. Многофазни трансформаториможе да има множество намотки с високо и ниско напрежение.

Класификация на трансформаторите по дизайн

По конструкция силовите трансформатори се разделят на два основни вида - маслени и сухи.

AT маслени трансформаториМагнитопроводът с намотки се поставя в резервоар, пълен с трансформаторно масло, което е добър изолатор и охладител.

В съответствие с нормативните документи конструктивните характеристики на трансформатора са отразени в обозначението на неговия тип и системи за охлаждане.

Тип трансформатор:

• Автотрансформатор (за монофазен О, за трифазен Т) - А
• Разделена намотка за ниско напрежение - P
• Защита на течния диелектрик с помощта на азотно покритие без разширител - Z
• Версия от лята смола - L
• Трансформатор с три намотки - Т
• Трансформатор с стъпален превключвател - N
• Сух трансформатор с естествено въздушно охлаждане (обикновено втората буква в обозначението на типа), или версия за собствени нужди на електроцентрали (обикновено последната буква в обозначението на типа) - C
• Кабелен вход - К
• Фланцев вход (за пълен TS) - F

Охладителни системи за сухи трансформатори:

• Естествен въздух с отворен дизайн - C
• Естествен въздух със защитен дизайн - SZ
• Естествен въздух с херметичен дизайн - SG
• Въздух с принудителна циркулация на въздуха - SD

Охладителни системи за маслени трансформатори:

• Естествена циркулация на въздух и масло - М
• Принудителна циркулация на въздуха и естествена циркулация на маслото - D
• Естествена циркулация на въздуха и принудителна циркулация на маслото с ненасочен поток на маслото - MC
• Естествена циркулация на въздуха и принудителна циркулация на маслото с насочен поток на маслото - NMC
• Принудителна циркулация на въздух и масло с ненасочен поток на маслото - DC
• Принудителна циркулация на въздуха и маслото с насочен поток на маслото - NDC
• Принудителна циркулация на вода и масло с ненасочен поток на маслото - C
• Принудителна циркулация на вода и масло с насочен поток на маслото - NC

Системи за охлаждане на трансформатори с незапалим течен диелектрик:

• Течнодиелектрично охлаждане с принудителна циркулация на въздуха - ND
• Охлаждане чрез негорим течен диелектрик с принудителна циркулация на въздуха и насочен поток от течен диелектрик - NND

Трудно е за човек, който не е запознат с електричеството, да си представи какво е трансформатор, къде е включен, предназначението на неговите дизайнерски елементи.

Обща информация за устройството

Трансформаторът е статично електромагнитно устройство, предназначено да преобразува ток с променлива честота с едно напрежение в променлив ток с различно напрежение, но със същата честота, въз основа на явлението електромагнитна индукция.

Устройствата се използват във всички сфери на човешката дейност: електроенергетика, радиотехника, радиоелектронна промишленост, битова сфера.

Дизайн

Устройството на трансформатора предполага наличието на една или повече отделни намотки (лента или тел) под единичен магнитен поток, навит върху сърцевина, изработена от феромагнетик.

Най-важните структурни части са както следва:

• навиване;
• кадър;
• магнитна верига (ядро);
• охладителна система;
• изолационна система;
• допълнителни части, необходими за защитни цели, за монтаж, осигуряване на достъп до изходните части.

В устройствата най-често можете да видите два вида намотки: първичната, която получава електрически ток от външен източник на захранване, и вторичната, от която се отстранява напрежението.

Ядрото осигурява подобрен обратен контакт на намотките, има намалена устойчивост на магнитен поток.

Някои видове устройства, работещи на свръхвисока и висока честота, се произвеждат без ядро.

Производството на устройства е установено в три основни концепции за навиване:

• бронирани;
• тороидален;
• прът.

Устройството на прътови трансформатори предполага навиването на намотката върху сърцевината да е строго хоризонтално. В бронираните устройства той е затворен в магнитна верига, разположена хоризонтално или вертикално.

Надеждността, производителността, конструкцията и принципът на работа на трансформатора се приемат без влияние върху принципа на неговото производство.

Принцип на действие

Принципът на работа на трансформатора се основава на ефекта на взаимната индукция. Потокът на ток с променлива честота от източник на захранване на трета страна към входовете на първичната намотка образува магнитно поле в сърцевината с променлив поток, преминаващ през вторичната намотка и предизвиквайки образуването на електродвижеща сила в нея. Късо съединение на вторичната намотка на приемника на енергия причинява преминаването на електрически ток през приемника поради влиянието на електродвижещата сила, като в същото време се образува ток на натоварване в първичната намотка.

Предназначението на трансформатора е да пренася преобразуваната електрическа енергия (без да променя нейната честота) към вторичната намотка от първичната с напрежение, подходящо за работата на консуматорите.

Класификация по вид

Мощност

Силовият трансформатор за променлив ток е устройство, използвано за преобразуване на електроенергия в захранващи мрежи и електрически инсталации със значителна мощност.

Необходимостта от електроцентрали се обяснява със сериозната разлика в работните напрежения на главните електропроводи и градските мрежи, които идват до крайните потребители, необходими за работата на машините и механизмите, захранвани с електричество.

Автотрансформатори

Устройството и принципът на работа на трансформатора в този дизайн предполага директно сдвояване на първичната и вторичната намотка, поради което техните електромагнитни и електрически контакт. Намотките на устройствата имат най-малко три проводника, които се различават по своето напрежение.

Основното предимство на тези устройства трябва да се нарече добра ефективност, тъй като не цялата мощност се преобразува - това е важно за малки разлики във входното и изходното напрежение. Минус - неизолацията на трансформаторните вериги (липса на разделяне) помежду си.

Токови трансформатори

Този термин се използва за обозначаване на устройство, захранвано директно от доставчик на електроенергия, използвано за намаляване на първичния електрически ток до подходящи стойности за тези, използвани в измервателни и защитни вериги, сигнализация, комуникации.

Първичната намотка на токови трансформатори, чието устройство осигурява липсата на галванични връзки, е свързана към верига с променлив електрически ток, който трябва да се определи, а електрическите измервателни уреди са свързани към вторичната намотка. Електрическият ток, протичащ през него, приблизително съответства на тока на първичната намотка, разделен на коефициента на трансформация.

Трансформатори на напрежение

Целта на тези устройства е да намалят напрежението в измервателните вериги, автоматиката и релейната защита. Такива защитни и електрически измервателни вериги в устройства за различни целиизолиран от вериги с високо напрежение.

Пулс

Тези видове трансформатори са необходими за промяна на краткотрайни видео импулси, които по правило имат повторение в определен периодсъс значителен работен цикъл, като изменението на формата им е сведено до минимум. Целта на използването е прехвърляне на ортогонален електрически импулс с най-стръмна граница и фронт, индикатор за постоянна амплитуда.

Основното изискване за устройствата от този тип, е липсата на изкривяване при прехвърляне на формата на преобразуваните импулси на напрежение. Действието на напрежение от някаква форма на входа води до получаване на импулс на напрежение с идентична форма на изхода, но вероятно с различен обхват или обърната полярност.

Разделяне

Какво е изолационен трансформатор става ясно въз основа на самото определение - това е устройство с първична намотка, която не е електрически свързана (т.е. отделена) от вторичната.

Има два вида такива устройства:

• мощност;
• сигнал.

Силовите се използват за подобряване на надеждността на електрическите мрежи в случай на неочаквано синхронно свързване със земята и тоководещи части или нетоководещи елементи, които са попаднали под напрежение поради повреда на изолацията.

Сигнализацията се използва за осигуряване галванична изолацияелектрически вериги.

Съчетаване

Как работи трансформатор от този тип е ясно и от името му. Устройствата за съгласуване се наричат ​​устройства, които се използват за съпоставяне на съпротивлението на отделни елементи на електрически вериги с минимална промяна във формата на сигнала. Също така устройства от този тип се използват за изключване на галванични взаимодействия между отделни части на веригите.

пикови трансформатори

Принципът на работа на пиковите трансформатори се основава на трансформацията на естеството на напрежението от входно синусоидално към импулсно. Полярността след прехода се променя след половин период.

двоен дросел

Неговото предназначение, устройство и принцип на работа, като трансформатор, са абсолютно идентични с устройства с двойка подобни намотки, които в този случай са абсолютно идентични, навити в противоположни посоки или в координация.

Също така е обичайно да видите това име това устройство, като противоиндуктивен филтър. Това показва обхвата на устройството - филтриране на входно напрежение в захранвания, аудио оборудване, цифрови устройства.

Режими на работа

празен ход (XX)

Този ред на работа се изпълнява от отварянето на вторичната мрежа, след което протичането на електрически ток в нея спира. В първичната намотка протича ток на празен ход, съставният му елемент е токът на намагнитване.

Когато вторичният ток е нула, електродвижещата сила на индукция в първичната намотка напълно компенсира напрежението на захранващия източник и следователно, ако токовете на натоварване се загубят, токът, протичащ през първичната намотка, съответства по стойност на тока на намагнитване .

Функционалната цел на работата на празен ход на трансформаторите е да се определят техните най-важни параметри:

• индикатор за трансформация;
• загуби в магнитната верига.

Режим на натоварване

Режимът се характеризира с функционирането на устройството, когато напрежението е приложено към входовете на първичната верига и товарът е свързан към вторичната. През "вторичната" преминава товарният ток, а в първичната - общият товарен ток и токът на празен ход. Този режим на работа се счита за преобладаващ за устройството.

Основният закон на индукционната едс отговаря на въпроса как работи трансформаторът в основния режим. Принципът е следният: прилагането на товар към вторичната намотка предизвиква образуването на магнитен поток във вторичната верига, който образува зареждащ електрически ток в сърцевината. Той е насочен в посока, обратна на неговия поток, създаден от първичната намотка. В първичната верига не се наблюдава паритетът на електродвижещите сили на доставчика на електроенергия и индукцията; в първичната намотка електрическият ток се увеличава, докато магнитният поток се върне към първоначалната си стойност.

Късо съединение (късо съединение)

Преходът на устройството към този режим се извършва с късо съединение на вторичната верига. Късо съединение - специален вид натоварване, приложеното натоварване - съпротивлението на вторичната намотка - е единственото.

Принципът на работа на трансформатора в режим на късо съединение е следният: незначителен AC напрежение, изводите на вторичната са накъсо. Входното напрежение се настройва по такъв начин, че стойността на затварящия ток да съответства на стойността на номиналния електрически ток на устройството. Стойността на напрежението определя загубите на енергия, дължащи се на нагряването на намотките, както и на активното съпротивление.

Този режим е типичен за измервателните уреди.

Въз основа на разнообразието от устройства и видове предназначение на трансформаторите, можем да кажем с увереност, че днес те са незаменими устройства, използвани почти навсякъде, които осигуряват стабилност и постигат необходимите стойности на напрежението за потребителя, както за граждански мрежи, така и за индустриални мрежи предприятия.

Може би някой смята, че трансформаторът е нещо средно между трансформатор и терминатор. Тази статия има за цел да унищожи подобни идеи.

Трансформаторът е статично електромагнитно устройство, предназначено да преобразува променлив електрически ток с едно напрежение и определена честота в електрически ток с друго напрежение и същата честота.

Работата на всеки трансформатор се основава на явление, открито от Фарадей.

Предназначение на трансформаторите

Различни видове трансформатори се използват в почти всички вериги за захранване на електрически уреди и при пренос на електроенергия на големи разстояния.

Електрическите централи генерират ток с относително ниско напрежение - 220 , 380 , 660 B. Трансформатори, повишаващи напрежението до стойности от поръчката хиляди киловолта, може значително да намали загубите при преноса на електроенергия на дълги разстояния и в същото време да намали площта на напречното сечение на електропроводите.

Точно преди да стигне до потребителя (например до обикновен домашен контакт), токът преминава през понижаващ трансформатор. Ето как получаваме обичайното си 220 волт.

Най-често срещаният тип трансформатор е силови трансформатори . Те са предназначени за преобразуване на напрежение в електрически вериги. В допълнение към силови трансформатори, различни електронни устройства използват:

• импулсни трансформатори;
• силови трансформатори;
• токови трансформатори.

Принципът на работа на трансформатора

Трансформаторите биват еднофазни и многофазни, с една, две или повече намотки. Разгледайте схемата и принципа на работа на трансформатора, като използвате примера на най-простия еднофазен трансформатор.

От какво е направен трансформатор? В най-простия случай от един метал сърцевина и две намотки . Намотките не са електрически свързани една с друга и представляват изолирани проводници.

Една намотка (нарича се първичен ) е свързан към източник на променлив ток. Втората намотка се нарича втори , е свързан към крайния консуматор на ток.

Когато трансформаторът е свързан към източник на променлив ток, променлив ток протича в завоите на неговата първична намотка. I1 . Това създава магнитен поток Е , който прониква и в двете намотки и индуцира емф в тях.

Случва се вторичната намотка да не е под товар. Този режим на работа на трансформатора се нарича режим на празен ход. Съответно, ако вторичната намотка е свързана към който и да е консуматор, през нея протича ток I2 , възникващи под въздействието на ЕМП.

Големината на ЕМП, която възниква в намотките, директно зависи от броя на завъртанията на всяка намотка. Съотношението на ЕМП, индуцирано в първичната и вторичната намотка, се нарича коефициент на трансформация и е равно на отношението на броя навивки на съответните намотки.

Чрез избора на броя на завъртанията на намотките е възможно да се увеличи или намали напрежението на текущия консуматор от вторичната намотка.

Идеален трансформатор

Идеален трансформатор е трансформатор, в който няма загуба на енергия. В такъв трансформатор текущата енергия в първичната намотка се преобразува напълно първо в енергията на магнитното поле, а след това в енергията на вторичната намотка.

Разбира се, такъв трансформатор не съществува в природата. Въпреки това, в случай, че топлинните загуби могат да бъдат пренебрегнати, е удобно да се използва формулата за идеален трансформатор при изчисленията, според които токовите мощности в първичната и вторичната намотка са равни.

Между другото! За нашите читатели вече има 10% отстъпка от

Загуби на енергия в трансформатора

Ефективността на трансформаторите е доста висока. Въпреки това, в намотката и сърцевината възникват загуби на енергия, което води до повишаване на температурата по време на работа на трансформатора. За малки силови трансформатори това не е проблем и цялата топлина отива към околен свят- използва се естествено въздушно охлаждане. Такива трансформатори се наричат ​​сухи.

В по-мощни трансформатори въздушно охлажданее недостатъчно и се прилага маслено охлаждане. В този случай трансформаторът се поставя в резервоар за минерално масло, през който топлината се пренася към стените на резервоара и се разсейва в околната среда. В трансформаторите с висока мощност се използват допълнително изпускателни тръби - ако маслото кипи, получените газове се нуждаят от изход.

Разбира се, трансформаторите не са толкова прости, колкото може да изглежда на пръв поглед - в края на краищата прегледахме накратко принципа на трансформатора. Тест по електротехника със задачи за изчисляване на трансформатор може внезапно да се превърне в истински проблем. винаги готов да помогне при решаването на всякакви проблеми с обучението ви! Свържете се с Zaochnik и научете лесно!

С изобретяването на трансформатора се появи технически интерес към променливия ток. Руският електроинженер Михаил Осипович Доливо-Доброволски през 1889 г. предлага трифазна система за променлив ток с три проводника (трифазна система за променлив ток с шест проводника е изобретена от Никола Тесла, патент на САЩ № , построен първият трифазен асинхронен двигател с намотка с катерица и трифазна намотка на ротора (трифазен асинхронен двигател, изобретен от Никола Тесла, патент на САЩ № с три пръта на магнитната верига, разположени в една и съща равнина. На електрическото изложение във Франкфурт на Майн през 1891 г. Доливо-Доброволски демонстрира експериментално трифазно предаване на ток с високо напрежение с дължина 175 км. Трифазният генератор е с мощност 230 kW при напрежение 95 V.

В началото на 1900 г. английският изследовател металург Робърт Хадфийлд провежда серия от експерименти, за да установи ефекта на добавките върху свойствата на желязото. Само няколко години по-късно успява да достави на клиентите първия тон трансформаторна стомана със силициеви добавки.

Следващият голям скок в технологията на сърцевината е направен в началото на 30-те години на миналия век, когато американският металург Норман П. Грос установява, че при комбинирания ефект на валцуване и нагряване силиконовата стомана развива изключителни магнитни свойства в посоката на валцоване: магнитното насищане се увеличава с 50 %, загубите от хистерезис са намалени 4 пъти, а магнитната проницаемост се е увеличила 5 пъти.

Основни принципи на трансформатора

Работата на трансформатора се основава на два основни принципа:

1. Променлив във времето електрически ток създава променливо във времето магнитно поле (електромагнетизъм)
2. Промяната в магнитния поток, преминаващ през намотката, създава ЕМП в тази намотка (електромагнитна индукция)

На една от намотките, наречена първична намотканапрежението се подава от външен източник. Променливият ток, протичащ през първичната намотка, създава променлив магнитен поток в магнитната верига. В резултат на електромагнитна индукция, променлив магнитен поток в магнитната верига създава във всички намотки, включително първичната, индукционна ЕМП, пропорционална на първата производна на магнитния поток, със синусоидален ток, изместен на 90 ° в обратна посока с по отношение на магнитния поток.

В някои трансформатори, работещи на високи или свръхвисоки честоти, магнитната верига може да отсъства.

Закон на Фарадей

ЕМП, генерирана във вторичната намотка, може да се изчисли от закона на Фарадей, който гласи, че:

U 2- Напрежение на вторичната намотка, н 2 - брой навивки във вторичната намотка, Φ - общ магнитен поток, през един оборот на намотката. Ако завоите на намотката са перпендикулярни на линиите на магнитното поле, тогава потокът ще бъде пропорционален на магнитното поле би квадрат Спрез който минава.

EMF, генериран съответно в първичната намотка:

U 1- моментна стойност на напрежението в краищата на първичната намотка, н 1 е броят на навивките в първичната намотка.

Разделяне на уравнението U 2на U 1, получаваме съотношението:

Уравнения на идеални трансформатори

Идеален трансформатор е трансформатор, който няма загуби на енергия за нагряване на намотките и потоци на утечки на намотките. В един идеален трансформатор всички силови линии преминават през всички навивки на двете намотки и тъй като променящото се магнитно поле генерира една и съща ЕМП във всеки оборот, общата ЕМП, индуцирана в намотката, е пропорционална на общия брой навивки. Такъв трансформатор трансформира цялата входяща енергия от първичната верига в магнитно поле и след това в енергията на вторичната верига. В този случай входящата енергия е равна на преобразуваната енергия:

P1- моментна стойност на мощността, подадена към трансформатора, идваща от първичната верига, P2- моментната стойност на мощността, преобразувана от трансформатора, влизаща във вторичната верига.

Комбинирайки това уравнение със съотношението на напреженията в краищата на намотките, получаваме уравнението за идеален трансформатор:

Така получаваме, че с увеличаване на напрежението в краищата на вторичната намотка U 2, токът на вторичната верига намалява аз 2.

За да преобразувате съпротивлението на една верига в съпротивлението на друга, трябва да умножите стойността по квадрата на съотношението. Например съпротива Z2свързан към краищата на вторичната намотка, намалената му стойност към първичната верига ще бъде . Това правило е валидно и за вторичната верига: .

Режими на работа на трансформатора

Режим на късо съединение

В режим на късо съединение към първичната намотка на трансформатора се прилага малко променливо напрежение, проводниците на вторичната намотка са съединени накъсо. Входното напрежение се настройва така, че токът на късо съединение да е равен на номиналния (изчисления) ток на трансформатора. При такива условия стойността на напрежението на късо съединение характеризира загубите в намотките на трансформатора, загубите в омичното съпротивление. Загубата на мощност може да се изчисли чрез умножаване на напрежението на късо съединение по тока на късо съединение.

Този режим се използва широко при измерване на токови трансформатори.

Зареден режим

Когато товарът е свързан към вторичната намотка, във вторичната верига възниква ток, който създава магнитен поток в магнитната верига, насочен противоположно на магнитния поток, създаден от първичната намотка. В резултат на това равенството на индукционната ЕМП и ЕМП на източника на енергия се нарушава в първичната верига, което води до увеличаване на тока в първичната намотка, докато магнитният поток достигне почти същата стойност.

Схематично процесът на трансформация може да се изобрази по следния начин:

За да направите това, помислете за реакцията на системата към синусоидален сигнал u 1=U 1 e-jω t(ω=2π f, където f е честотата на сигнала, j е имагинерната единица). Тогава аз 1=аз 1 e-jω tи т.н., намалявайки експоненциалните фактори, получаваме

U 1=-jω L1 аз 1-jω L 12 аз 2+аз 1 R1

Jω L2 аз 2-jω L 12 аз 1+аз 2 R2 =-аз 2 Z n

Методът на комплексните амплитуди ни позволява да изследваме не само чисто активно, но и произволно натоварване, докато е достатъчно да заменим съпротивлението на натоварване R nнеговия импеданс Z n. От получените линейни уравнения можете лесно да изразите тока през товара, като използвате закона на Ом - напрежението върху товара и т.н.

Еквивалентна схема на Т-образен трансформатор.

Частта от магнитната система на трансформатора, която не носи основните намотки и служи за затваряне на магнитната верига, се нарича - иго

В зависимост от пространственото разположение на прътите има:

1. Плоска магнитна система- магнитна система, в която надлъжните оси на всички пръти и ярема са разположени в една и съща равнина
2. Пространствена магнитна система- магнитна система, в която надлъжните оси на прътите или яремата, или прътите и яремата са разположени в различни равнини
3. Симетрична магнитна система- магнитна система, в която всички пръти имат еднаква форма, дизайн и размери, а относителната позиция на всеки прът по отношение на всички ярема е еднаква за всички пръти
4. Несиметрична магнитна система- магнитна система, в която отделните пръти могат да се различават от другите пръти по форма, дизайн или размери или относителната позиция на всеки прът по отношение на други пръти или ярем може да се различава от местоположението на всеки друг прът

намотки

Основният елемент на намотката е бобина- електрически проводник или поредица от такива проводници, свързани паралелно (многожилна сърцевина), веднъж обвити около част от магнитната система на трансформатора, чийто електрически ток, заедно с токовете на други такива проводници и други части на трансформатора , създава магнитно поле на трансформатора и в което под действието на това магнитно поле се индуцира електродвижеща сила.

Навиване- формиране на набор от завои електрическа верига, което обобщава ЕМП, предизвикано в завоите. В трифазен трансформатор намотката обикновено означава набор от намотки с едно и също напрежение от три фази, свързани една с друга.

Напречното сечение на проводника на намотката в силови трансформатори обикновено е най-често с квадратна форма ефективно използваненалично пространство (за увеличаване на фактора на запълване в основния прозорец). С увеличаване на площта на напречното сечение на проводника, той може да бъде разделен на два или повече паралелни проводими елемента, за да се намалят загубите от вихрови токове в намотката и да се улесни работата на намотката. Проводим елемент с квадратна форма се нарича жилищен.

Всяко ядро ​​е изолирано или с хартиена намотка, или с емайллак. Две индивидуално изолирани и паралелно свързани жила понякога могат да имат обща хартиена изолация. Две такива изолирани жила в обща хартиена изолация се наричат ​​кабел.

Специален вид проводник за намотаване е непрекъснато транспониран кабел. Този кабел се състои от нишки, изолирани с два слоя емайллак, разположени аксиално една спрямо друга, както е показано на фигурата. Непрекъснато транспониран кабел се получава чрез преместване на външната нишка на един слой към следващия слой с постоянна стъпка и прилагане на обща външна изолация.

Хартиената намотка на кабела е направена от тънки (няколко десетки микрометра) хартиени ленти с ширина няколко сантиметра, навити около сърцевината. Хартията се увива на няколко слоя до получаване на необходимата обща дебелина.

Навиване на диска

Намотките се разделят според:

1. Назначаване
   • Основен- трансформаторни намотки, към които се подава енергията на преобразувания променлив ток или от които се отнема енергията на преобразувания променлив ток.
   • Регулаторен- с нисък ток на намотката и не твърде широк диапазон на регулиране, могат да се осигурят кранове в намотката за регулиране на коефициента на трансформация на напрежението.
   • Помощни- намотки, предназначени например за захранване на спомагателна мрежа с мощност, значително по-малка от номиналната мощност на трансформатора, за компенсиране на третото хармонично магнитно поле, за намагнитване на магнитната система с постоянен ток и др.
2. Екзекуция
   • Обикновена намотка- завоите на намотката са разположени в аксиална посока по цялата дължина на намотката. Следващите завои се навиват плътно един към друг, без да се оставя междинно пространство.
   • винтова намотка- спиралната намотка може да бъде вариант на многослойната намотка с разстояния между всеки навивка или извод.
   • Навиване на диска- намотката на диска се състои от редица дискове, свързани последователно. Във всеки диск намотките са навити радиално в спираловидна схема навътре и навън върху съседни дискове.
   • навиване на фолио- намотките от фолио са направени от широк меден или алуминиев лист с дебелина от десети от милиметъра до няколко милиметра.

Схеми и групи за свързване на намотките на трифазни трансформатори

Има три основни начина за свързване на фазовите намотки от всяка страна на трифазен трансформатор:

• Y-връзка ("звезда"), където всяка намотка е свързана в единия край към обща точка, наречена неутрална. Има "звезда" със заключение от обща точка (обозначение Y 0 или Y n) и без нея (Y)
• Δ-връзка ("делта"), където три фазови намотки са свързани последователно
• Z-образна връзка ("зигзаг"). При този методвръзка, всяка фазова намотка се състои от две еднакви части, поставени на различни пръти на магнитната верига и свързани последователно, срещуположно. Получените три фазови намотки са свързани в обща точка, подобно на "звезда". Обикновено се използва "зигзаг" с разклонение от обща точка (Z 0)

Както първичната, така и вторичната намотка на трансформатора могат да бъдат свързани чрез всяка от три начинапоказано по-горе, във всяка комбинация. Конкретният метод и комбинация се определя от предназначението на трансформатора.

Y-връзката обикновено се използва за намотки, работещи под високо напрежение. Това се дължи на много причини:

Намотките на трифазен автотрансформатор могат да бъдат свързани само в "звезда";

Когато вместо един тежък трифазен трансформатор се използват три монофазни автотрансформатора, е невъзможно да се свържат по друг начин;

Когато вторичната намотка на трансформатора захранва линията за високо напрежение, наличието на заземена неутрала намалява пренапреженията по време на удари на мълния. Без неутрално заземяване е невъзможно да се задейства диференциалната защита на линията по отношение на утечка към земята. В този случай първичните намотки на всички приемащи трансформатори на тази линия не трябва да имат заземен неутрал;

Дизайнът на регулаторите на напрежението (превключвателите) е значително опростен. Поставянето на кранове за навиване от "неутралния" край осигурява минимален брой контактни групи. Изискванията за изолация на превключвателя са намалени, т.к работи при минимално напрежение спрямо земята;

Това съединение е най-технологично напредналото и най-малко металоемко.

Свързването триъгълник се използва в трансформатори, където една намотка вече е свързана в звезда, особено с неутралния извод.

Работата на все още широко разпространените трансформатори със схемата Y / Y 0 е оправдана, ако натоварването на неговите фази е същото (трифазен двигател, трифазна електрическа пещ, строго изчислено улично осветление и др.), Ако натоварването е небалансиран (битов и друг еднофазен), тогава магнитният поток в сърцевината е извън равновесие и некомпенсираният магнитен поток (т.нар. „поток с нулева последователност“) се затваря през капака и резервоара, което ги кара да се нагряват и вибрира. Първичната намотка не може да компенсира този поток, т.к неговият край е свързан към виртуална неутрала, която не е свързана към генератора. Изходните напрежения ще бъдат изкривени (ще има "фазов дисбаланс"). За еднофазен товар такъв трансформатор е по същество отворен дросел и неговият импеданс е висок. Токът на еднофазно късо съединение ще бъде силно подценен в сравнение с изчисления (за трифазно късо съединение), което прави работата на защитното оборудване ненадеждна.

Ако първичната намотка е свързана в триъгълник (трансформатор с верига Δ/Y 0), тогава намотките на всеки прът имат два проводника както към товара, така и към генератора, а първичната намотка може да магнетизира всеки прът поотделно, без да засяга други две и без нарушаване на магнитния баланс. Еднофазното съпротивление на такъв трансформатор ще бъде близко до изчисленото, дисбалансът на напрежението е практически елиминиран.

От друга страна, с триъгълна намотка, конструкцията на стъпалния превключвател (контакти с високо напрежение) става по-сложна.

Връзката на намотката с триъгълник позволява на третия и множеството хармоници на тока да циркулират вътре в пръстена, образуван от три последователно свързани намотки. Затварянето на токовете на третата хармоника е необходимо, за да се намали устойчивостта на трансформатора към несинусоидални токове на натоварване (нелинейно натоварване) и да се поддържа синусоидално напрежение. Третият токов хармоник и в трите фази има една и съща посока, тези токове не могат да циркулират в намотка, свързана със звезда с изолирана неутрала.

Липсата на троични синусоидални токове в намагнитващия ток може да доведе до значително изкривяване на индуцираното напрежение, в случаите, когато сърцевината е с 5 пръта или е изпълнена в брониран вариант. Намотка на трансформатор, свързана с триъгълник, ще елиминира това смущение, тъй като намотка, свързана с триъгълник, ще намали хармоничните токове. Понякога трансформаторите предвиждат наличието на третична Δ-свързана намотка, предвидена не за зареждане, а за предотвратяване на изкривяване на напрежението и намаляване на импеданса на нулевата последователност. Такива намотки се наричат ​​компенсационни. Разпределителните трансформатори, предназначени за зареждане, между фаза и нула от първичната страна, обикновено са оборудвани с триъгълна намотка. Въпреки това, токът в триъгълната намотка може да бъде много нисък, за да се постигне минималната мощност, а необходимият размер на проводника на намотката е изключително неудобен за фабрично производство. В такива случаи намотката за високо напрежение може да бъде свързана в звезда, а вторичната намотка - в зигзаг. Токовете с нулева последователност, циркулиращи в двата крана на зигзагообразна намотка, ще се балансират взаимно, импедансът на нулевата последователност на вторичната страна се определя главно от разсеяното магнитно поле между двата клона на намотките и се изразява като много малък брой.

Използвайки свързването на двойка намотки по различни начини, е възможно да се постигнат различни степени на преднапрежение между страните на трансформатора.

1. Само трансформатори с еднаква ъглова грешка между първичното и вторичното напрежение могат да работят паралелно.
2. Полюсите с еднакъв поляритет от страната на високото и ниското напрежение трябва да бъдат свързани паралелно.
3. Трансформаторите трябва да имат приблизително същото съотношение на напрежението.
4. Импедансното напрежение на късо съединение трябва да бъде същото, в рамките на ±10%.
5. Съотношението на мощността на трансформаторите не трябва да се отклонява повече от 1:3.
6. Превключвателите за броя на завъртанията трябва да са в позиции, които осигуряват максимално близко усилване на напрежението.

С други думи, това означава, че трябва да се използват най-сходните трансформатори. Идентични модели трансформатори са най-добрият вариант. Отклонения от горните изисквания са възможни при използване на съответните знания.

Честота

Регулиране на напрежението на трансформатора

В зависимост от натоварването на електрическата мрежа, нейното напрежение се променя. За нормалната работа на потребителските електрически консуматори е необходимо напрежението да не се отклонява от определеното ниво с повече от допустимите граници, поради което се прилага различни начинирегулиране на напрежението в мрежата.

Отстраняване на неизправности

Тип неизправност	причина
Прегряване	Претоварване
Прегряване	Ниско ниво на маслото
Прегряване	Затваряния
Прегряване	Недостатъчно охлаждане
Разбивка	Претоварване
Разбивка	Замърсяване с масло
Разбивка	Ниско ниво на маслото
Разбивка	Завъртете стареенето на изолацията
скала	Лошо качество на спойка
скала	Силни електромеханични деформации при късо съединение
Повишено бръмчене	Отслабването на натискането на ламинираната магнитна верига
Повишено бръмчене	Претоварване
Повишено бръмчене
Повишено бръмчене	късо съединение в намотката
Появата на въздух в газовото реле (с термосифонен филтър)	Термосифонният филтър е запушен, въздухът влиза в газовото реле през щепсела

Трансформатор за пренапрежение

Видове пренапрежения

По време на употреба трансформаторите могат да бъдат подложени на напрежение, надвишаващо работните им параметри. Тези вълни се класифицират според тяхната продължителност в две групи:

• Моментно пренапрежение- напрежение на захранващата честота с относителна продължителност, варираща от по-малко от 1 секунда до няколко часа.
• Преходно пренапрежение- краткотрайно пренапрежение, вариращо от наносекунди до няколко милисекунди. Времето на нарастване може да варира от няколко наносекунди до няколко милисекунди. Преходното пренапрежение може да бъде осцилаторно и неосцилаторно. Те обикновено имат еднопосочно действие.

Трансформаторът може също да бъде подложен на комбинация от преходни и преходни пренапрежения. Преходните пренапрежения могат да последват незабавно преходните пренапрежения.

Пренапреженията се класифицират в две основни групи, характеризиращи техния произход:

• Пренапрежения, причинени от атмосферни влияния. Най-често възникват преходни пренапрежения поради мълния в близост до преносни линии за високо напрежение, свързани към трансформатор, но понякога импулс от мълния може да удари трансформатор или самата преносна линия. Пиковата стойност на напрежението зависи от импулсния ток на мълния и е статистическа променлива. Регистрирани са импулсни токове на мълнии над 100 kA. Според измерванията, извършени на електропроводи с високо напрежение, в 50% от случаите пиковата стойност на импулсните токове на мълния е в диапазона от 10 до 20 kA. Разстоянието между трансформатора и точката на удара на импулса на мълнията влияе на времето на нарастване на импулса, който удря трансформатора, колкото по-малко е разстоянието до трансформатора, толкова по-кратко е времето.
• Пренапрежения, генерирани вътре в електроенергийната система. Тази група обхваща както краткотрайни, така и преходни пренапрежения, произтичащи от промени в условията на работа и поддръжка на електроенергийната система. Тези промени могат да бъдат причинени от нарушение на процеса на превключване или повреда. Временните пренапрежения се причиняват от заземяване, прекъсване на натоварването или нискочестотен резонанс. Преходни пренапрежения възникват, когато системата често се изключва от или се свързва към. Те могат да възникнат и при запалване на външната изолация. При превключване на реактивен товар преходното напрежение може да се повиши до 6-7 p.u. поради многобройни прекъсвания на преходния ток в прекъсвача с време на нарастване на импулса до няколко части от микросекунди.

Способността на трансформатора да издържа на пренапрежения

Трансформаторите трябва да преминат определени тестове за диелектрична якост, преди да напуснат фабриката. Преминаването на тези тестове показва вероятността непрекъсната работатрансформатор.

Тестовете са описани в международни и национални стандарти. Тестваните трансформатори потвърждават висока експлоатационна надеждност.

Допълнително условие висока степеннадеждността е да се осигурят приемливи граници на пренапрежение, тъй като трансформаторът по време на работа може да бъде подложен на по-сериозни пренапрежения в сравнение с условията на изпитване.

Необходимо е да се подчертае изключителното значение на планирането и отчитането на всички видове пренапрежения, които могат да възникнат в електроенергийната система. За нормално изпълнение дадено състояниетрябва да се разбере произхода различни видовепренапрежения. Големината на различните видове пренапрежения е статистическа променлива. Способността на изолацията да издържа на пренапрежения също е статистическа променлива.

Вижте също

	Трансформаторв Уикиречник
	Трансформаторв Wikimedia Commons

• Интегриран тестов стенд за трансформатори

Бележки

1. Харламова Т. Е. История на науката и технологиите. Енергетика. Учебник , Санкт Петербург: SZTU, 2006. 126 с.
2. Кислицин А. Л. Трансформатори: Учебник за курса "Електромеханика" .- Уляновск: UlGTU, 2001. - 76 с ISBN 5-89146-202-8
3. Силови трансформатори: основните етапи в развитието на c.t. н. Савинцев Ю.М. Предлага се на 25.01.2010 г
4. Силов трансформатор: етапи на еволюция. Д.т. н., проф. Попов Г. В. в transform.ru. В наличност на 02.08.2008г
5. История на трансформатора на energoportal.ru. В наличност на 02.08.2008г
6. навивачиПринципи и приложения на силови трансформатори. - С. 20–21.