Практически все электросистемы от промышленных установок до радиотехнических приборов оснащаются специальными преобразователями тока – трансформаторами. Связано это, прежде всего, с необходимостью подбора заданной величины напряжения для конкретного применения. Разберем, для чего нужен трансформатор, как он устроен и работает, какими параметрами характеризуется, на какие виды делится и где применяется.
Силовой трансформатор на электростанции преобразует ток перед транспортировкой потребителю
Трансформатор – что это такое и как устроено
Прибор для получения тока с одним значением напряжения из тока с другим значением называется трансформатором. В основе его действия лежит явление электромагнитной индукции. Главное назначение устройства – понижение или повышение напряжения переменного электротока.
Трансформатор состоит из следующих рабочих элементов:
- Сердечник, или магнитопровод.
Замкнутая конструкция из электропроводящего материала. Предназначается для размещения первичной и вторичной обмотки, а также формирования и прохождения магнитного потока по замкнутому контуру с наименьшими потерями.
Чтобы избежать возникновения самоиндукции, сердечники изготавливаются из специальных материалов:
- Электротехнические стальные сплавы. Наиболее широко применяются недорогие холоднокатаные стали для изготовления разнообразных трансформаторов.
- Сплавы железа и никеля. Ввиду хорошей магнитной проницаемости, металлы этого типа используются для создания импульсных и высокочастотных трансформаторов. Плюсы – снижением габаритов и массы устройства, минусы – высокая стоимость и минимальная ударопрочность.
Сердечник трансформатора чаще всего изготавливается в виде наборных пластин из электротехнической стали
- Ферриты. Служат базой для производства магнитопроводов прессованного типа, применяемых для сборки трансформаторов импульсного вида, а также работающих на частотах до 100 кГц.
При этом по форме магнитопроводы разделяются на 3 базовых вида:
- Стержневые цилиндрические и прямоугольные.
- Броневые.
- Тороидальные, или кольцевые.
Геометрия и тип материала сердечника определяется назначением, условиями применения и заданными характеристиками трансформатора.
- Обмотки.
В качестве материала обмотки, как правило, берется медный проводник с изоляцией. При намотке его на сердечник образуется катушка. При этом в трансформаторе есть 2 типа обмотки:
- Первичная, входная – на нее подается напряжение.
- Вторичная, выводная – с нее берется измененное напряжение.
Обе изолированы друг от друга и от магнитопровода. В зависимости от геометрии сердечника обмотка бывает цилиндрическая, пластинчатая, дисковая и т. д.
Трансформаторные обмотки изготавливаются из медной жилы, изолируется друг от друга и от сердечника
- Корпус.
Для защиты от внешнего воздействия сердечник с обмотками помещается в корпус. Изготавливается он из тонкостенного металла. Для эффективного отвода тепла, возникающего в ходе преобразования электроэнергии, конструкция оснащается ребрами по типу радиатора.
На мощных установках применяется жидкостное охлаждение. Для этого корпус изготавливается закрытым, в него заливается минеральное масло. В ходе работы оно циркулирует между витками обмотки и забирающими тепло стальными элементами.
На заметку! Чтобы минимизировать потери электроэнергии в виде тепла, с помощью трансформатора напряжение сначала повышается, а затем перед раздачей потребителям понижается.
Принцип действия
Устройство и принцип действия трансформатора основаны на эффекте образования электротока в замкнутом проводящем контуре при колебаниях магнитного потока. Явление преобразования тока сводится к следующему алгоритму:
- При подаче напряжения на 1-ую обмотку, возникает переменный ток.
- При прохождении его через катушку возникает переменное магнитное поле.
- Оно в свою очередь формирует магнитный поток в замкнутом сердечнике.
При подаче тока на первичную обмотку трансформатора возникает магнитный поток, индуцирующий ток во вторичной обмотке
- Магнитный поток индуцирует во 2-ой обмотке переменную электродвижущую силу.
- При подключении к ней нагрузки по проводникам начинает течь переменный ток заданного номинала.
Значение напряжение на выходе установки определяется соотношением количества витков в 1-ой и 2-ой намотках – коэффициентом трансформации. Задавая определенные пропорции, можно регулировать в меньшую или большую сторону величину разности потенциалов на выходе. В связи с этим трансформаторы бывают понижающими и повышающими.
Характеристики
В работе трансформаторных установок первостепенное значение имеет следующий ряд технических характеристик:
- Коэффициент трансформации.
Величина рассчитывается по следующей формуле:
Кт = В1 / В2
Кт – коэффициент трансформации.
В1 – количество витков проводника в 1-ой обмотке.
В2 – число витков во 2-ой намотке.
Коэффициент трансформации необходим для расчета степени понижения или повышения во время сборки агрегата.
- Коэффициент полезного действия.
КПД трансформатора определяет общие потери мощности – по соотношению на выходе и входе. Величина мощности определяется площадью сердечника, и, следовательно, при расчете задает количество витков намотки.
КПД современных трансформаторов достигает 98-99 %
Для этого применяется такая формула:
Во = 50 / Пс
Во – число витков.
Пс – площадь сечения магнитовода.
В общем, параметр характеризует, насколько эффективно выполняет свою функцию установка. Так, у совершенных моделей величина может достигать 99 %.
- Потери мощности.
Утрата электроэнергии в трансформаторе происходит 2-мя путями:
- На обмотках, или в меди – определяется нагрузочным током.
- На сердечнике, или в стали – задается напряжением.
Потери энергии на обмотках определяются силой тока нагрузки, и при отображении на графике выделяются параболической зависимостью. Потери на сердечнике определяются напряжением, и выстраиваются по графической прямой.
При этом обе величины измеряются в ваттах и при расчетах суммируются, формируя итоговую характеристику для установки. На практике замер параметра дает понять реальный КПД трансформатора и при необходимости улучшить его работу.
Справка! Трансформатор функционирует только в сетях с переменным напряжением. При подаче на первичную обмотку постоянного тока возникнет постоянный магнитный поток, и напряжение во вторичной обмотке не образуется.
Трансформаторы применяются не только на подстанциях, но и в других областях, например, для работы светодиодной ленты
Разновидности
Доступные на сегодня трансформаторы классифицируются по следующему ряду признаков:
- Назначению.
В зависимости от сферы применения устройства подразделяются на несколько видов:
- Силовые – преобразуют ток большой мощности как в сетях, так и на установках.
- Для систем освещения – используются для электропитания подсветок и систем освещения.
- Сварочные – применяются для стабилизации сварочной дуги в сварочных аппаратах.
- Измерительные – устанавливаются в инструменты для проведения измерений.
- Импульсные – применяются в современных точных устройствах для сохранности выходной формы электротока.
Кроме того, трансформаторные модули могут иметь обозначение по применимости к конкретному месту, устройству, технике.
Для стабилизации дуги и контроля параметров тока в сварочном аппарате применяется электротрансформатор
- Типу охлаждения.
Для успешной работы трансформатору требуется эффективное отведение вырабатываемого тепла. Для этого применяется 2 типа систем охлаждения:
- Воздушные или сухие – с охлаждением за счет воздуха. Это стандартные бытовые установки для работы в 2-х и 3-х-фазных сетях.
- Масляные – с радиаторной системой отвода тепла, где в качестве теплоносителя заливается минеральное масло. Как правило, это агрегаты мощностью свыше 6 кВт.
Видео описание
Видео о том, что такое трансформатор и как он работает:
Бывают также установки с жидкостным диэлектрическим охлаждением. Теплоносителем служит специальная жидкость-диэлектрик.
- Виду электрического тока.
В стандартном представлении трансформатор предназначен для понижения или повышения напряжения в сети переменного тока. Однако бывают также варианты для постоянного тока.
Естественно, это несколько иные по конструкции и принципу действия устройства. Применяются они гораздо реже, чем обычные модели.
- Количеству фаз.
В зависимости от количества преобразуемых фаз установки бывают:
- 1-фазные.
- 3-фазные.
- Многофазные.
Последние применяются в особых условиях, когда оборудование должно всегда работать безотказно. При потере одной фазы на смену включается запасная.
Применение
Трансформатор, по сути, это универсальное устройство, и потому применяется везде, где есть необходимость понижения или повышения напряжения. Это, прежде всего, такие области:
- Электроэнергетическая отрасль. Ни одна электростанция не обходится без стационарного трансформаторного блока для транспортировки на расстояние и распределения электричества по объектам.
Видео описание
Видео-обзор видов трансформаторов, их особенностей и способа проверки:
- Промышленная сфера. Большая часть промышленного оборудования требует трансформации тока под заданные характеристики. Для этого применяются силовые агрегаты.
- Электротехника. В блоках питания, передатчиках и усилителях используются трансформаторы высокочастотного и импульсного типа.
- Системы освещения. Для осветительных приборов на дорогах, зданиях, в цехах устанавливаются особые трансформаторные устройства.
- Электросварочные работы. Для стабилизации дуги и настроек тока применяются специальные трансформаторные агрегаты напряжения.
- Транспорт. Питание электроприводов различных транспортных средств (локомотивов, трамваев, авто) выполняется с помощью тяговых трансформаторов.
- Точные и измерительные приборы.
Обратите внимание! Для питания электротехники все чаще стали применяться бестрансформаторные блоки. Однако когда дело касается мощного оборудования, без трансформаторов не обойтись.
Видео описание
Видео о том, какие сердечники бывают у трансформаторов, и чем они различаются:
Коротко о главном
Трансформатор служит для повышения или понижения напряжения. Работает на принципе магнитной индукции. Состоит устройство из 3-х рабочих частей – сердечника, обмоток и корпуса.
При подаче переменного тока на 1-ую обмотку возникает переменный магнитный поток. Проходя через замкнутый магнитовод, он индуцирует ток во 2-ой обмотке.
Любой трансформатор характеризуется 3-мя параметрами – коэффициентом трансформации, КПД и потерей мощности. При этом классифицируется по ряду признаков:
- Назначению.
- Типу охлаждения.
- Числу фаз.
- Виду тока.
Применяются трансформаторы в различных областях – электроэнергетике, промышленности, электротехнике, системах освещения, транспорте, электросварке и точных приборах.