Трансформатор змінного струму: види пристроїв і схема

Більшість початківців радіоаматорів та й просто тих, хто захоплюється радіотехнікою, цікавлять питання про те, що таке трансформатор, як він працює і для чого служить. Насправді все дуже просто: трансформатор служить для перетворення змінного струму з одного значення з певною частотою (параметром) в інше з ідентичним параметром.

пристрій трансформатора

Відповідно до ГОСТ 16110 -82, визначення трансформатора виглядає наступним чином: трансформатор – це електромагнітне пристрій статистичного типу, яке оснащено двома або більше обмотками, що володіють індуктивним зв'язком, і призначене для перетворення однієї або декількох систем змінного струму в одну або кілька інших систем.

Це електромагнітне виріб має просту конструкцію, що складається з наступних елементів: магнітопровід (магнітної системи), обмотки, обмотувальний каркаси, ізоляція (не у всіх трансформаторах), система охолодження. додаткові елементи. На практиці виробники для виготовлення трансформаторів використовують одну з трьох базових концепцій:

1. Стрижнева. Обмотки намотуються на крайні стрижні.
2. Броньовий. Бічні стінки залишаються без обмоток.
3. Тороїдальна. Володіє формою кільця з рівномірною намотуванням обмоток по всьому колу.

Варто зазначити, що вибір тієї чи іншої концепції не впливає на кінцеві параметри трансформатора і не позначається на експлуатаційної надійності, але, тим не менш істотно різниться за технологією виготовлення.

магнітна система

Лінії по переробці для трансформатора володіють певною геометричною формою і виготовляються з ряду матеріалів, до яких відноситься електротехнічна сталь, пермаллой, ферит або інший матеріал, що володіє феромагнітними властивостями. Залежно від матеріалу і конструкції муздрамтеатр може набиратися з пластин, пресувати, навивається з тонкої стрічки, збиратися з двох, чотирьох і більше «підков».

Як каркас для розміщення основних обмоток виступають стрижні. Вони можуть володіти різним просторовим розташуванням, в залежності від якого розрізняють кілька видів систем.

1. Плоска магнітна система з поздовжніми осями стрижнів і ярем, розташованими в одній площині.
2. Просторова система, де поздовжні осі стержнів розташовуються в різних площинах.
3. Сімметрічняа система, оснащена ідентичними стержнями, які мають однаковий взаємним розташуванням по відношенню до ярмам.
4. Несиметрична система, що складається зі стрижнів, деякі з яких можуть відрізнятися за формою, конструкції і розмірам, з різним взаємним розташуванням по відношенню до ярмам.

конструкція обмотки

Обмотка – це основний елемент трансформатора. Вона являє собою багатовитковому конструкцію, виготовлену з однієї або декількох мідних (рідше алюмінієвих) дротів різного діаметру. Як правило, в силових трансформаторах використовуються провідники з квадратним перетином, яке дозволяє більш ефективно використовувати наявний простір, за рахунок чого збільшується коефіцієнт заповнення (К).

Для запобігання виникнення короткого замикання кожна обмотка ізолюється. В якості ізолюючого матеріалу може бути використана спеціальна папір або емалевий лак. До речі, якщо для виготовлення обмотки були використані дві окремо ізольовані і паралельно з'єднані дроту, то вони можуть бути оснащені загальною паперовою ізоляцією.

Паливний бак

Бак є одним з найважливіших додаткових елементів трансформатора. Він являє собою ємність, призначену для зберігання трансформаторного масла, а також забезпечення фізичного захисту активного компонента.Крім того, корпус бака призначений для монтажу допоміжного обладнання та керуючого пристрою.

Одним з внутрішніх елементів бака є потужнострумовий резонатор. Він схильний до швидкого і частого перегріву в моменти збільшення номінальної потужності і трансформаторних струмів. Для зниження ризику перегріву навколо резонаторів встановлюють вставки з немагнітних матеріалів.

Внутрішнє покриття бака виготовляється з струмопровідних щитків, які не пропускають магнітні потоки через стіни ємності. Іноді зустрічається покриття, яке виготовляється з матеріалу, що володіє низьким магнітним опором. Такий варіант покриття поглинає внутрішні потоки до підходу до стінок бака.

Перед заміною палива з бака викачують повітря з метою запобігти зниженню діелектричної міцності ізоляції трансформатора. З цього спостерігається додаткове призначення бака, яке полягає в дотриманні тиску атмосфери з мінімальною деформацією.

Принцип роботи

Трансформатори функціонують на підставі двох принципів: електромагнетизму – створення змінюється в часі магнітного потоку під впливом електричного струму, який також змінюється, і електромагнітної індукції – наведення ЕРС (електрорушійної сили), внаслідок зміни магнітного потоку, що проходить через обмотку.

Включення трансформатора відбувається після подачі напруги на первинну обмотку. Спільно з напругою на обмотку надходить і змінний струм, який бере участь в утворенні змінного магнітного потоку в муздрамтеатрі. Це створює ЕРС у всіх обмотках пристрою.

Вихідна напруга (вторинна обмотка) складним чином пов'язане з формою вхідного напруги. Ці складності зумовили створення лінійки нових трансформаторів, які почали використовувати для вирішення альтернативних завдань, наприклад, посилення струму, множення частоти і генерації сигналів.

функціональні режими

Трансформатори можуть функціонувати в трьох режимах: холостого ходу (ХХ) – 1, навантаження – 2 і короткого замикання – 3.

Режим 1: ХХ. Особливістю цього режиму є те, що вторинна трансформаторна ланцюг знаходиться в розімкнутому стані, тому по ній струм не протікає. У такому положенні ланцюга струмовий потенціал дорівнює нулю, що створює в первинному контурі струм холостого ходу, який володіє реактивної і активної складової. Ця ЕРС здатна повністю компенсувати напругу живлення. Такий режим використовується для визначення ККД та рівня втрат в осерді.

Режим 2: навантаження. В цьому режимі звична обмотка трансформатора живиться від стороннього джерела живлення, а до вторинної ланцюга підключається навантаження. Після підключення навантаження по вторинному ланцюзі починає протікати струм, який створює магнітний потік, спрямований у протилежний бік від потоку первинної обмотки. Це провокує нерівність між двома силами – індукції і джерела живлення, що збільшує струм, який протікає по первинній обмотці до моменту повернення магнітного потоку в початкове значення. Цей режим є основним робочим режимом для трансформаторів.

Режим 3: КЗ. Для отримання цього режиму вторинний контур трансформатора замикається накоротко, а до первинної обмотці підводиться низьке змінну напругу. Значення вхідної напруги вибирають таким, щоб струм КЗ вийшов рівним номінальному. Такий режим використовують для визначення втрат на нагрівання обмоток в ланцюзі трансформатора.

види виробів

З 30 листопада 1876 року, вважається датою створення першого трансформатора, пройшло вже досить багато часу. За цей період пристрої були значно змінені як в конструктивному плані, так і за характеристиками. На сьогоднішній день існують наступні види трансформаторів:

• Силовий трансформатор змінного струму.Такі трансформатори застосовуються в мережах енергопостачання та електроустановках, які призначені для прийому і використання електроенергії. Ці трансформатори використовуються з того, що по всій довжині траси присутні різні робочі напруги, наприклад, на ЛЕП (лінії електропередачі) воно може варіюватися від 0,035 до 0,75 МВ (мегавольт), а в трансформаторних підстанціях дорівнює 400 В, які згодом перетворюються в звичні 220/380 В.
• Автотрансформатор. Варіант трансформатора з прямим з'єднанням первинної і вторинної обмотки, яке створює не тільки електромагнітну, а й електричну індукцію. Автотрансформатори оснащуються многовиводних обмотками, чиє мінімальну кількість дорівнює трьом. Вони використовуються в якості елемента, що з'єднує ефективно заземлені мережі напругою від 0,11 МВ з коефіцієнтом трансформації від 3 до 4. Автотрансформатори володіють двома ключовими перевагами і одним невеликим недоліком. До перших відносяться економічність (через зниження витрат на покупку міді для обмоток і стали для сердечника) і високий ККД – через часткове перетворення вхідної потужності. Недолік – це відсутність гальванічної розв'язки – електричної ізоляції між первинною і вторинною ланцюгом.
• Трансформатор струму. Пристрій з первинної обмоткою, живиться від стороннього джерела струму, при цьому вторинну ланцюг намагаються виготовити таким чином, щоб вона працювала в режимі близькому до короткого замикання. Підключення первинної обмотки проводиться послідовно до ланцюга з навантаженням. У цьому ланцюзі протікає змінний струм, який потрібно контролювати. Для наближення до режиму КЗ до вторинної ланцюга підключають вольтметри або індикатори, наприклад, реле або світлодіод. Наявність додаткових елементів у вторинному ланцюзі зумовило одну з областей застосування подібних трансформаторів, яка полягає в зниженні струмів первинної обмотки до значень, які можуть використовуватися в цілях вимірювання, захисту, управління і сигналізації.
• Зварювальний трансформатор. Встановлюється в зварювальних апаратах і використовується для перетворення напруги 220/380 вольт в більш низькі значення, а також для підвищення рівня струму. Струм можна регулювати зміною індуктивного опору або вторинної напруги ХХ. Це виконується секціонуванням числа витків первинної або другої обмотки відповідно.
• Розділовий трансформатор. Відрізняється від інших пристроїв подібного типу відсутністю електричного зв'язку між первинною і вторинною обмотками. Розділові пристрої застосовуються в електромережах з метою забезпечення безпеки людей при обриві ліній або інших надзвичайних подій, які можуть завдати шкоди, а також з метою забезпечення гальванічної розв'язки.

Позначення на схемах

Трансформатор на схемі позначається наступним чином: По центру чертится товста лінія, яка відображає сердечник, зліва від неї у вертикальній площині зображується котушка (витками до сердечника) – первинна обмотка, а справа ще одна або кілька котушок – вторинні обмотки.

У загальному випадку схематичне відображення лінії, яка позначає сердечник, має відповідати товщині витків зображених котушок. При необхідності підкреслення матеріалу або особливостей конструкції сердечника на схемі трохи видозмінюють центральну лінію. Так, класичний феритовий сердечник позначають суцільною жирною лінією, а сердечник, що володіє магнітним зазором, – тонкою лінією з розривом посередині. Магнітодіелектріческіе сердечники відображаються тонкої пунктирною лінією.