Устройство и принцип работы трансформатора

Трансформатор Фарадея

Содержание

Принцип работы трансформатора

По мере открытия и использования электричества в промышленных целях возникла необходимость в системах преобразования и доставки электроэнергии потребителю. Так появились трансформаторы, основной принцип работы которых мы сейчас обсудим.

Их появлению в мире предшествовало открытие явления электромагнитной индукции великим английским физиком Майклом Фарадеем почти 200 лет назад. Позже, вместе со своим американским коллегой Д. Генри нарисовал схему будущего трансформатора.

Трансформатор Фарадея

Первая индукционная катушка была разработана в 1848 году французским механиком Г. Румкорфом. Свою лепту внесли и российские ученые. В 1872 году профессор А.Г. Столетов из Московского университета открыл петлю гистерезиса и описал структуру ферромагнетика, а четыре года спустя выдающийся русский изобретатель П.Н. Яблочков получил патент на изобретение первого трансформатора переменного тока.

Конструкция трансформатора

Электрические трансформаторы используются для преобразования электрического напряжения одной величины в электрическое напряжение другой величины, т.е. для преобразования электрической энергии.

Трансформатор может преобразовывать только переменный ток в переменный, поэтому для получения постоянного тока переменный ток из трансформатора при необходимости выпрямляется. Для этой цели используются выпрямители.

В любом случае, любой трансформатор (трансформатор напряжения, трансформатор тока или импульсный трансформатор) работает благодаря явлению электромагнитной индукции, которое проявляется при переменном или импульсном токе.

Конструкция трансформатора

В своей простейшей форме однофазный трансформатор состоит всего из трех основных частей: ферромагнитного (магнитного) сердечника, первичной и вторичной обмоток. В принципе, трансформатор может иметь более двух обмоток, но не менее двух. В некоторых случаях часть первичной обмотки может служить вторичной обмоткой (см. типы трансформаторов), но такие схемы довольно редки по сравнению с обычными схемами.

Основной частью трансформатора является ферромагнитный сердечник. Когда трансформатор работает, именно внутри ферромагнитного сердечника возникает переменное магнитное поле. Источником переменного магнитного поля в трансформаторе является переменный ток в первичной обмотке.

Вторичное напряжение трансформатора

Известно, что каждый электрический ток сопровождается магнитным полем, поэтому переменный ток сопровождается переменным магнитным полем (изменяющимся по величине и направлению).

Таким образом, подавая переменный ток на первичную обмотку трансформатора, мы получаем переменное магнитное поле первичного тока. Для того чтобы магнитное поле концентрировалось главным образом внутри сердечника трансформатора, сердечник изготавливается из материала с высокой магнитной проницаемостью, в тысячи раз превышающей проницаемость воздуха, так что большая часть магнитного потока первичной обмотки оказывается внутри сердечника, а не в воздухе.

Таким образом, переменное магнитное поле первичной обмотки концентрируется в объеме сердечника трансформатора, который изготавливается из трансформаторной стали, феррита или другого подходящего материала, в зависимости от рабочей частоты и назначения данного трансформатора.

Вторичная обмотка трансформатора расположена на общем сердечнике с его первичной обмоткой. Поэтому переменное магнитное поле первичной обмотки также проникает через вторичную обмотку.

А явление электромагнитной индукции заключается именно в том, что изменяющееся во времени магнитное поле индуцирует в окружающем пространстве переменное электрическое поле. А поскольку в этом пространстве вокруг переменного магнитного поля находится провод вторичной обмотки, индуцированное переменное электрическое поле действует на носители заряда в этом проводе.

Это действие электрического поля индуцирует ЭДС в каждом из витков вторичной обмотки. В результате между проводами вторичной обмотки возникает переменное электрическое напряжение. Когда вторичная обмотка трансформатора, подключенного к сети, не нагружена, трансформатор работает в режиме холостого хода.

Работа трансформатора под нагрузкой

Если к вторичной обмотке рабочего трансформатора подключена нагрузка, то во вторичной цепи трансформатора под действием нагрузки возникает ток.

Этот ток генерирует собственное магнитное поле, которое, согласно закону Ленца, имеет такое направление, что противостоит “причине, которая его вызывает”. Это означает, что магнитное поле вторичного тока в любой момент времени стремится уменьшить возрастающее магнитное поле первичной обмотки, или стремится поддержать магнитное поле первичной обмотки, когда оно уменьшается, и всегда направлено в сторону магнитного поля первичной обмотки.

Таким образом, когда вторичная обмотка трансформатора нагружена, в первичной обмотке создается противоположная ЭДС, заставляющая первичный трансформатор потреблять больший ток из сети.

Коэффициент трансформации

Отношение числа витков первичной N1 и вторичной N2 обмоток трансформатора определяет соотношение между его входными напряжениями U1 и выходными напряжениями U2 и входными токами I1 и выходными токами I2 при работе трансформатора под нагрузкой. Этот коэффициент называется коэффициентом трансформации трансформатора:

Коэффициент трансформации больше единицы, если трансформатор является понижающим трансформатором, и меньше единицы, если трансформатор является повышающим трансформатором.

Трансформатор напряжения

Трансформатор напряжения – это тип понижающего трансформатора, предназначенный для гальванического разделения цепей высокого напряжения и цепей низкого напряжения.

Как правило, высоковольтный трансформатор означает 6 кВ или более (на первичной стороне трансформатора напряжения), а низковольтный трансформатор – около 100 В (на вторичной стороне).

Такой трансформатор обычно используется для измерительных целей. Он понижает, например, высокое напряжение линии электропередачи до низкого напряжения, пригодного для измерения, и в то же время может гальванически изолировать системы измерения, защиты, управления – от высоковольтной цепи. Трансформатор этого типа обычно работает в режиме холостого хода.

В принципе, любой силовой трансформатор, используемый для преобразования электроэнергии, также можно назвать трансформатором напряжения.

Трансформатор тока

Трансформатор тока имеет первичную обмотку, которая обычно состоит только из одной катушки, соединенной последовательно с источником тока. Эта катушка может представлять собой отрезок провода в цепи, где необходимо измерить ток.

Провод просто продевается через окно сердечника трансформатора и становится этой единственной катушкой, катушкой первичной обмотки. Вторичная обмотка, имеющая много витков, подключается к измерительному прибору, имеющему низкое внутреннее сопротивление.

Трансформаторы этого типа используются для измерения значений переменного тока в силовых цепях. Здесь вторичный ток и напряжение пропорциональны измеренному первичному току (токовая цепь).

Трансформаторы тока широко используются в реле защиты энергосистем и поэтому отличаются высокой точностью. Они обеспечивают безопасные измерения, поскольку гальванически изолируют измерительную цепь от первичной цепи (обычно высоковольтной – десятки или сотни киловольт).

Импульсный трансформатор

Этот трансформатор предназначен для преобразования тока (напряжения) в импульсную форму. Короткие импульсы, обычно прямоугольной формы, подаваемые на первичную обмотку трансформатора, заставляют его работать практически в переходном режиме.

Такие трансформаторы используются в импульсных преобразователях напряжения и других импульсных устройствах, а также в качестве дифференциальных трансформаторов.

Использование импульсных трансформаторов позволяет снизить вес и стоимость оборудования, в котором они применяются, просто за счет более высокой частоты преобразования (десятки и сотни килогерц) по сравнению с сетевыми трансформаторами, работающими на частоте 50-60 Гц. Прямоугольные импульсы с длиной фронта намного короче, чем сам импульс, обычно преобразуются с небольшими искажениями.

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ссылкой на нее в своих социальных сетях. Это очень поможет в развитии нашего сайта!

Такие конструкции позволяют экономить на материалах: сталь для магнитопровода, медь для обмоток. Они имеют меньший вес и стоимость. Поэтому они эффективно используются в энергосистеме от 110 кВ и выше.

Как устроен и работает трансформатор и какие особенности учитываются при его эксплуатации

В энергетике, электронике и других областях прикладной электротехники преобразование электромагнитной энергии из одной формы в другую играет важную роль. Речь идет о многочисленных трансформаторных устройствах, которые предназначены для решения различных производственных задач.

Некоторые из них, самой сложной конструкции, преобразуют мощные потоки энергии высокого напряжения, например, 500 или 750 кВ в 330 и 110 кВ или в обратном направлении.

Другие используются в мелкой бытовой технике, электронике и системах автоматизации. Они также широко используются в различных мобильных источниках питания.

Трансформаторы работают только в цепях переменного напряжения на различных частотах и не предназначены для использования в цепях постоянного напряжения, где применяются другие типы преобразователей.

Трансформаторы делятся на две основные группы: однофазные, питающиеся от однофазной сети переменного тока, и трехфазные, питающиеся от трехфазной сети переменного тока.

Трансформаторы значительно отличаются по конструкции. Основными компонентами трансформатора являются замкнутый стальной сердечник (магнитопровод), обмотки и детали, используемые для монтажа магнитопровода и катушек обмоток, а также для установки трансформатора в выпрямительное устройство. Магнитопровод используется для формирования замкнутого контура для магнитного потока.

Части магнитной катушки, на которых расположены обмотки, называются стержнями, а части без обмоток, служащие для замыкания магнитного потока в катушке, называются ярмами. Материалом для магнитопровода трансформатора служит лист электротехнической стали (трансформаторная сталь). Эта сталь бывает различных марок, толщины, горячекатаная и холоднокатаная.

Общие принципы работы трансформаторов

Мы знаем, что электромагнитная энергия неразделима. Однако принято представлять его в двух частях:

Это облегчает понимание явлений, описание процессов, выполнение расчетов и проектирование различных устройств и схем. Целые разделы электротехники посвящены отдельному анализу электрических и магнитных цепей.

Электрический ток, как и магнитный, протекает только через замкнутую цепь, имеющую сопротивление (электрическое или магнитное). Он формируется под воздействием внешних приложенных сил – источников напряжения с соответствующей энергией.

Однако при рассмотрении принципов работы трансформаторного оборудования оба этих фактора придется изучать одновременно, и учитывать их совместное влияние на преобразование энергии.

Если намотать на замкнутый железный сердечник не одну, а две катушки, то при подключении одной катушки, которую мы называем первичной, к клеммам переменного тока, другая катушка, которую мы называем вторичной, будет индуцировать переменный электрический ток с тем же числом периодов, что и ток в первичной катушке. Из вторичной обмотки мы можем получать переменный ток, как из обычного источника переменного тока – генератора. Такое устройство называется трансформатором, поскольку с его помощью можно изменить величину переменного напряжения перед его подачей в цепь. На практике две катушки, первичная и вторичная, находятся на одной стороне сердечника, одна вокруг другой.

Простейший трансформатор состоит из двух обмоток, выполненных путем намотки катушек изолированного провода, по которым протекает электрический ток, и одного сердечника для магнитного потока. Его обычно называют сердечником или магнитопроводом.

На вход одной обмотки подается напряжение U1, которое после преобразования в U2 подается на подключенную нагрузку R с выходов второй обмотки.

Под действием напряжения U1 в первой обмотке в замкнутой цепи протекает ток I1, величина которого зависит от импеданса Z, состоящего из двух составляющих:

1. активное сопротивление проводов обмотки;

2. реактивный компонент, который является индуктивным по своей природе.

Индуктивная реактивность оказывает большое влияние на работу трансформатора.

Электрическая энергия, протекающая через первичную обмотку в виде тока I1, является частью электромагнитной энергии, магнитное поле которой перпендикулярно движению зарядов или положению витков провода. В его плоскости находится сердечник трансформатора, или магнитопровод, через который заключен магнитный поток Ф.

Все это наглядно показано на фотографии и строго соблюдается при производстве. Сама катушка также закрыта, хотя в ней могут быть сделаны зазоры, чтобы увеличить ее магнитное сопротивление для некоторых целей, например, для уменьшения магнитного потока.

В результате протекания первичного тока через катушку, магнитная составляющая электромагнитного поля проникает и циркулирует через магнитную катушку, пересекая витки вторичной катушки, которая замыкается на выходное сопротивление R.

Магнитный поток вызывает протекание электрического тока I2 во вторичной обмотке. На его величину влияет величина приложенной магнитной составляющей силы и общее сопротивление цепи, включая подключенную нагрузку R.

Когда трансформатор работает, внутри магнитной цепи генерируется общий магнитный поток Ф и его составляющие Ф1 и Ф2.

Как устроен и работает автотрансформатор

Среди трансформаторного оборудования особой популярностью пользуются упрощенные конструкции, в которых используется одна общая обмотка, разделенная на секции, а не две различные отдельно выполненные обмотки. Они называются автотрансформаторами.

Принцип работы такой схемы остается практически неизменным: входная электромагнитная энергия преобразуется в выходную. Первичный ток I1 протекает через обмотку W1, а вторичный ток I2 протекает через обмотку W2. Магнитная катушка обеспечивает путь для магнитного потока Ф.

Автотрансформатор имеет гальваническое соединение между входной и выходной цепями. Поскольку преобразуется не вся мощность источника, а только ее часть, создается более высокий КПД, чем в обычном трансформаторе.

Особых различий в режимах работы трансформатора и автотрансформатора практически нет.

Режимы работы трансформатора

Во время работы трансформатор может находиться в одном из следующих рабочих состояний:

бездельничать;

Холостой ход трансформатора

Холостой ход – это работа устройства, машины и т.д. без нагрузки, в отсутствие нагрузки. Когда устройство или машина работает на холостом ходу, оно не посылает энергию, но обычно потребляет некоторое количество энергии.

Например, трансформатор, работающий без нагрузки (с разомкнутой вторичной обмоткой), потребляет некоторый ток из сети (известный как ток холостого хода трансформатора), и этот ток, протекающий в первичной обмотке, связан с потреблением некоторой мощности из сети, которая поступает в нагревательную обмотку (и при наличии потерь в стали и нагревательном сердечнике) трансформатора.

Режим вывода из эксплуатации

Достаточно отключить напряжение питания от первичной обмотки и тем самым предотвратить протекание через нее электрического тока, что всегда имеет место в данном типе оборудования.

Однако на практике такая мера не в полной мере обеспечивает безопасность при работе со сложными конструкциями трансформаторов: напряжение может остаться на обмотках и вызвать повреждение оборудования, подвергнуть опасности обслуживающий персонал из-за случайного воздействия разрядов тока.

Как это возможно?

В случае небольших трансформаторов, работающих в качестве источника питания, как показано на верхнем фото, постороннее напряжение не причинит никакого вреда. Он просто не может туда попасть. Но в силовом оборудовании это необходимо учитывать. Давайте рассмотрим две распространенные причины:

1. подключение внешнего источника питания;

2. эффект индуцированного напряжения.

Первый вариант

Сложные трансформаторы имеют более одной обмотки, которые используются для различных цепей. Напряжение должно быть отключено от всех из них.

Кроме того, на подстанциях, работающих в автоматическом режиме без постоянного обслуживающего персонала, к шинам силовых трансформаторов подключаются дополнительные трансформаторы для обеспечения подстанции электроэнергией 0,4 кВ для собственных нужд. Они предназначены для питания устройств защиты, автоматизации, освещения, отопления и других целей.

Они называются вспомогательными трансформаторами или вспомогательными трансформаторами. Если силовой трансформатор обесточен и его вторичные цепи разомкнуты, а на ТСН ведутся работы, существует возможность обратной трансформации, при которой 220 В с низкой стороны переходит на высокую сторону через подключенные силовые шины. Поэтому их необходимо отключить.

Эффект наведенного напряжения

Если высоковольтная линия под напряжением проходит рядом со сборными шинами обесточенного трансформатора, токи, протекающие по линии, могут вызвать напряжение на сборных шинах. Необходимо принять меры для снятия этого напряжения.

Номинальный режим работы

Это нормальное состояние трансформатора во время работы, для которой он был разработан. Токи обмотки и приложенное напряжение соответствуют номинальным значениям.

Трансформатор в номинальном режиме потребляет и преобразует мощность, соответствующую расчетным значениям, в течение всего предусмотренного срока службы.

Работа в режиме холостого хода

Это происходит, когда на трансформатор подается напряжение от источника питания, но выходные клеммы обесточены, т.е. находятся в состоянии разомкнутой цепи. Это предотвращает протекание тока через вторичную обмотку.

Трансформатор в режиме холостого хода потребляет минимально возможную мощность, определяемую его конструктивными особенностями.

Режим короткого замыкания

Это происходит, когда нагрузка, подключенная к трансформатору, замыкается накоротко, полностью шунтируется цепями с очень низким электрическим сопротивлением и к ней прикладывается полная мощность источника напряжения.

В этом режиме протекание огромных токов короткого замыкания практически не ограничено. Они обладают огромной тепловой энергией и могут пережечь провода или оборудование. И они продолжают работать до тех пор, пока цепь питания через вторичную или первичную обмотку не перегорит, разрушаясь в самом слабом месте.

Это самый опасный режим, который может возникнуть при работе трансформатора и в любое, самое неожиданное время. Его возникновение можно предвидеть, и его развитие должно быть ограничено. Чтобы избежать этого, используйте системы защиты от сверхтоков, которые контролируют и ограничивают токи нагрузки как можно быстрее.

Режим перенапряжения

Обмотки трансформатора покрыты изоляционным слоем, который предназначен для работы при определенном напряжении. Этот показатель может быть превышен во время работы по различным причинам, либо в электрической системе, либо в результате атмосферных явлений.

Завод определяет величину допустимого перенапряжения, которое может воздействовать на изоляцию до нескольких часов, и кратковременных перенапряжений, возникающих в результате переходных процессов при коммутации оборудования.

Для предотвращения их воздействия создаются защиты от перенапряжения, которые автоматически отключают источник питания от цепи или ограничивают импульсы разряда в аварийной ситуации.

Поскольку линии электропередач имеют электрическое сопротивление, часть энергии электрического тока теряется в виде тепла. Постоянный ток (DC) течет в одном направлении, переменный ток (AC) периодически меняет направление. Первоначально для питания использовался только постоянный ток. По ряду причин постоянный ток очень трудно передавать и преобразовывать, поэтому электростанции передавали его при низком напряжении из соображений безопасности. Однако к тому времени, когда постоянный ток достиг потребителей, сопротивление потребляло 45 процентов его энергии.

Печать
Электронная почта

Большая часть электроэнергии, потребляемой людьми, вырабатывается на крупных электростанциях. Эти электростанции передают электроэнергию на районные трансформаторные станции, которые затем распределяют ее потребителям.

Поскольку линии электропередач обладают электрическим сопротивлением, часть энергии электричества теряется, превращаясь в тепло. Постоянный ток (DC) течет в одном направлении, переменный ток (AC) периодически меняет направление. Первоначально для питания использовался только постоянный ток. По ряду причин постоянный ток было сложно передавать и обрабатывать, поэтому электростанции передавали его при низком напряжении из соображений безопасности. Но к тому времени, когда постоянный ток достиг потребителей, сопротивление потребляло 45 процентов его энергии.

Решение оказалось в передаче переменного тока с высоким напряжением, которое можно было легко изменить с помощью трансформатора (фото ниже). Поскольку высоковольтным линиям требуется меньший ток для передачи того же количества энергии, потери на преодоление сопротивления значительно ниже. Когда переменный ток выходит из электростанции, повышающие трансформаторы повышают напряжение с 22 000 до 765 000 вольт, а к тому времени, когда он достигает домов, другие понижающие трансформаторы снижают его до 220 или 120 вольт.

Принцип работы трансформатора

Трансформаторы повышают или понижают напряжение переменного тока. Преобразуемый переменный ток проходит через первичную обмотку, охватывающую стальной сердечник (рисунок выше). Переменный ток создает в сердечнике переменное магнитное поле. По мере продвижения к вторичной обмотке это магнитное поле генерирует переменный ток во вторичной обмотке. Если вторичная катушка имеет больше витков, чем первичная, выходное напряжение будет выше входного.

Потери энергии при протекании постоянного тока

Электрическая мощность (P) рассчитывается путем умножения тока (I) на напряжение (V), т.е. P = I x V. Если напряжение увеличивается, ток, необходимый для передачи заданной мощности, уменьшается. Низкое постоянное напряжение требует большего тока, чем высокое переменное напряжение, для передачи того же количества электроэнергии.

Переменный ток легко преобразуется

В отличие от постоянного тока, переменный ток периодически меняет свое направление. Если через первичную обмотку трансформатора (рисунок слева) протекает переменный ток, то возникающее переменное магнитное поле индуцирует ток во вторичной обмотке. Если в первичной обмотке протекает постоянный ток (рисунок справа), то во вторичной обмотке ток не индуцируется.

Вы находитесь здесь: Главная Когнитивный Физика Как работает трансформатор?Небольшие трансформаторы, выполняющие функцию источника питания, как показано на рисунке выше, не будут повреждены посторонним напряжением. Он просто не может туда попасть. Но в силовом оборудовании это необходимо учитывать. Давайте рассмотрим две распространенные причины:

Как работает автотрансформатор и как он устроен

Среди трансформаторных устройств особой популярностью пользуются упрощенные конструкции, в которых используется одна общая обмотка, разделенная на секции, а не две различные отдельно выполненные обмотки. Они известны как автотрансформаторы.

Принципиальная схема автотрансформатора

Принцип работы такого трансформатора остается практически тем же. Происходит преобразование входной электромагнитной энергии в выходную энергию. Первичный ток I1 протекает через обмотку W1, а вторичный ток I2 протекает через обмотку W2. Магнитная катушка обеспечивает путь для магнитного потока Ф.

Такие конструкции позволяют экономить на материалах: сталь для магнитопровода, медь для обмоток. Они имеют меньший вес и стоимость. По этой причине они эффективно используются в энергосистемах от 110 кВ и выше.

Особых различий в режимах работы трансформатора и автотрансформатора практически нет.

Например, если трансформатор имеет 3 обмотки на первичной стороне и 6 обмоток на вторичной стороне, напряжение на вторичной стороне будет в 2 раза больше, чем на первичной стороне. Такой трансформатор называется повышающим трансформатором.

Как работает трансформатор?

В общем, простой трансформатор состоит из двух катушек, намотанных изолированным проводом. В большинстве трансформаторов провода наматываются на железный стержень, называемый сердечником.

Одна из обмоток, называемая также первичной обмоткой, подключена к источнику переменного тока, который, в свою очередь, создает постоянно меняющееся магнитное поле вокруг обмотки. Это переменное магнитное поле, в свою очередь, создает переменный ток в другой обмотке (вторичной).

Величина, определяемая как отношение числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной обмотке, определяет величину повышения или понижения напряжения во вторичной обмотке. Это значение также называют коэффициентом трансформации.

Например, если трансформатор имеет 3 первичные обмотки и 6 вторичных, то напряжение на вторичной обмотке будет в 2 раза выше, чем на первичной. Такой трансформатор называется повышающим трансформатором.

И наоборот, если в первичной обмотке 6 витков, а во вторичной – 3, то напряжение, потребляемое от вторичной обмотки, будет в 2 раза ниже, чем от первичной. Этот тип трансформатора называется понижающим трансформатором.

Заметьте также, что отношение токов в двух катушках обратно пропорционально отношению их напряжений. Поэтому электрическая мощность (напряжение, умноженное на ток) одинакова в обеих катушках.

Импеданс (сопротивление протеканию переменного тока) первичной обмотки зависит от импеданса вторичной цепи и коэффициента трансформации трансформатора. При правильном соотношении витков трансформатора можно получить практически одинаковый импеданс обеих цепей.

Согласование импеданса важно в стерео и других электронных системах, поскольку позволяет передать максимальное количество энергии от одного блока схемы к другому.

Читайте далее: