Что такое трансформатор: устройство, принцип работы, схема и назначение

Что такое трансформатор: устройство, принцип работы, схема и назначение

Доверь свою работу кандидату наук!

Может быть, кто-то думает, что трансформатор – это что-то среднее между трансформером и терминатором. Данная статья призвана разрушить подобные представления.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного электрического тока одного напряжения и определенной частоты в электрический ток другого напряжения и той же частоты.

Работа любого трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции, открытой Фарадеем.

Принцип действия трансформатора

Коэффициент трансформации — формула

Если коэффициент трансформации меньше единицы, то трансформатор повышающий, если больше единицы, понижающий. Разберем на небольшом примере: w1 количество витков первичной обмотки равно условно равно 300, w2 количество витков вторичной обмотки равно 20. Делим 300 на 20, получаем 15. Число больше единицы, значит трансформатор понижающий. Допустим, мы мотали трансформатор с 220 вольт, на более низкое напряжение, и нам теперь нужно посчитать, какое будет напряжение на вторичной обмотке. Подставляем цифры: U2=U1кт = 22015 = 14.66 вольт. Напряжение на выходе с вторичной обмотки будет равно 14.66 вольт.

Устройство

Магнитная схема

Конфигурация магнитной схемы разделяет эти устройства на три класса:

  • тороидальные;
  • броневые;
  • стержневые;

Стержень представляет собой ту часть магнитопровода, на которой размещены обмотки, остальная часть называется «ярмо». В виде стержневых изготавливаются трансформаторы большой и средней мощности.

Это связано также с более простой схемой охлаждения такой машины. Магнитопроводы обычно производятся из листовой электротехнической стали толщиной 0,25-0,5 мм. Листовые детали соединяются между собой электротехническим изолирующим лаком. Это делается для уменьшения влияния вихревых токов на работу магнитопровода.

Маломощные и микротрансформаторы обычно производят броневыми, поскольку они в изготовлении дешевле стержневых из-за меньшего числа катушек и технологичности изготовления.

Одним из преимуществ тороидальных трансформаторов является магнитная схема без зазоров. Этим обусловлено низкое магнитное сопротивление магнитопровода таких преобразователей.

Обмотки

В зависимости от конструкции, обмотки могут быть расположены последовательно. Эти называются дисковыми. Исполнение зависит от особенностей трансформатора и его назначения.

Мощные статические машины выделяют много тепла и нуждаются в интенсивном охлаждении.

Как сделать самостоятельно

Итак, как сделать трансформатор самому? Зная, принцип работы установки и его конструктивные особенности, можно собрать своими руками простейший аппарат. Для этого вам понадобится любое металлическое кольцо, на котором надо накрутить два участка обмотки. Самое важно – обмотки не должны касаться друг друга, а место их намотки не зависит конкретно от их расположения. То есть, они могут быть размещена напротив друг друга или рядом. Важно – даже небольшое расстояние между ними.

Внимание! Трансформатор работает только от сети переменного тока. Так что не стоит подключать к вашему устройству батарейку или аккумулятор, где присутствует ток постоянный. Работать от этих источников электроэнергии он не будет.

Как уже было сказано выше, количество витков в обмотках определяет, какой прибор вы собираете – понижающий или повышающий. К примеру, если вы на первичной обмотке соберете 1200 витков, а на вторичной всего лишь 10, то на выходе вы получите напряжение 2 вольта. Конечно, при подключении первичной катушки к напряжению 220-240 вольт. Если фазировка трансформатора будет заменена, то есть, провести подсоединение 220 вольт к вторичной обмотке, то на выходе первичной получится ток напряжением 2000 вольт. То есть, к назначению трансформатора надо подходить осторожно, учитывая тот самый коэффициент трансформации.

Почему трансформатор называют силовым

Как мы уже сказали, силовые трансформаторы используют для понижения высоковольного тока до приемлемых для города параметров, то есть 220/360 В – в зависимости от местности и прочих условий. Но нужно отметить, что напряжение высоковольтных линий ненамного больше 1000 к В, а это больше миллиона вольт. Именно за трансформацию столь сильного напряжения, устройство и назвали таким красивым именем.


Установленный силовой трансформатор

Именно силовые трансформаторы используются для преобразования электричества городских и квартальных сетей. Получается многоступенчатая система снабжения страны электроэнергией:

  1. Сначала повышающие трансформаторы увеличивают напряжение до огромных значений
  2. По проводам ток течет в города и села
  3. Понижающие трансформаторы понижают напряжение сначала до общегородских, а потом и до квартальных значений.

Отдельно нужно сказать, что иногда приходится понижать значение напряжения до 360 В в городе, потому что высоковольтные линии проводить в городской черте запрещено.

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.

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).

Принцип работы

Принцип работы трансформатора базируется на эффекте взаимоиндукции. Поступление тока переменной частоты от стороннего поставщика электроэнергии на вводы первичной обмотки формирует в сердечнике магнитное поле с переменным потоком, проходящего через вторичную обмотку и индуцирующее образование электродвижущей силы в ней. Закорачивание на приемнике электроэнергии вторичной обмотки обуславливает прохождение сквозь приемник электротока из-за влияния электродвижущей силы, вместе с тем в первичной обмотке образуется ток нагрузки.

Читайте также  Шунт для амперметра

Назначение трансформатора — перемещение преобразованной электрической энергии (без перемены ее частоты) к вторичной обмотке из первичной с подходящим для функционирования потребителей напряжением.

Устройство трансформатора

По своему устройству трехфазные трансформаторы представляют сборную конструкцию, состоящую из следующих узлов:

  • основание, изготавливаемое в виде прочного пластикового каркаса;
  • магнитопровода, размещенные в каркасных секциях;
  • набор первичных и вторичных катушек с проволочными обмотками;
  • распределительная (распаечная) панель с контактными колодками;
  • система охлаждения, необходимая для отвода тепла от рабочей зоны.

Исключение составляет панель распайки отводов обмоток трансформатора, благодаря которой удается комбинировать группы подключений для получения нужной конфигурации.

Схемы соединения обмоток силовых трансформаторов

В первичной обмотке каждая фаза должна распределяться под углом в 120 градусов. Первичная обмотка должна магнитно быть связана с вторичной через нейтральные точки. Ток может иметь значительное количество нечетных составляющих. Если силовые трансформаторы соединены с каждой фазой, то они смогут возвращаться в нормальное положение. Благодаря этой схеме вы узнаете как сделать трансформатор своими руками.

Эта схема обмотки считается наиболее простой. Также иногда часто может искажаться уровень выходящего напряжения. Технология линейного соединения может использоваться крайне редко. На сегодняшний день выбор силовых трансформаторов значительно увеличился.