Из чего состоит трансформатор: Устройство трансформатора силового сухого/масляного | Дартекс

Основные части трансформатора | О трансформаторах | Архивы

• трансформатор
• справка

Содержание материала

• О трансформаторах
• Основные части трансформатора
• Магнитные системы трехфазных трансформаторов
• Параллельная работа трансформаторов
• Меры защиты трансформаторов от перенапряжений

Страница 2 из 5

 

Трансформатор состоит из сердечника, обмоток, бака с маслом (если трансформатор масляный), на котором размещены проходные изоляторы (вводы) и расширитель.

Рис. 2. Стержневые трансформаторы: а — однофазный, б — трехфазный
1 — стержень, 2 — ярмо, 3 — обмотка низшего напряжения, 4 — обмотка
высшего напряжения
А. Сердечник трансформатора.

В сердечнике трансформатора принято выделять следующие части: стержни, на которых расположены катушки обмотки, и ярма, соединяющие стержни в общую магнитную цепь. Сердечники бывают двух типов: стержневые и броневые. Тип сердечника часто дает название и трансформатору.

В стержневом сердечнике стержни и ярма соединены последовательно. В однофазном трансформаторе (рис. 2, а) каждая из обмоток. располагается на двух стержнях, а в трехфазном (рис. 2, б) на одном стержне.

В броневом трансформаторе (рис. 3) магнитная цепь имеет две параллельные ветви и значительная часть поверхности обмотки охватывается сердечником. Магнитный поток в ярме вдвое меньше, чем в стержне, поэтому их можно выполнять вдвое меньшего сечения, как показано на рис. 3,а. В трехфазном броневом трансформаторе (рис. 3, б) для уменьшения магнитного потока в ярмах, общих для двух фаз, обе катушки среднего стержня включаются таким образом, чтобы направление магнитной оси этих катушек было противоположно направлению магнитных осей катушек крайних стержней.

Рис. 3. Броневые трансформаторы: а — однофазный, б — трехфазный
1 — стержень, 2 — ярмо, 3 — обмотка низшего напряжения, 4 — обмотка высшего напряжения

Рис. 4. Трансформатор с разветвленной магнитной цепью: а — однофазный, б — трехфазный

В отечественной промышленности броневые сердечники применяются только в трансформаторах малой мощности или в специальных трансформаторах. В современных трансформаторах большой мощности и высокого напряжения для перевозки в собранном виде по железным дорогам необходимо уменьшение высоты трансформатора, которое достигается применением сердечника с разветвленной магнитной цепью (рис. 4).

Рис. 6. Укладка полос шихтованного сердечника из холоднокатаной стали

Рис. 5. Укладка полос шихтованного сердечника трехфазного трансформатора: а — нечетный слой, б — четный слой
Сердечник трансформатора промышленной частоты собирается из полос электротехнической стали толщиной 0,5 или 0,35 мм. Применяется горячекатаная сталь марок Э41, Э42, Э43 и холоднокатаная сталь марок Э310, Э320, Э330. Для уменьшения потерь от вихревых токов отдельные полосы изолируются друг, от друга пленкой лака.

Рис. 1. Двухрамный сердечник
По способу соединения стержня с ярмом различают сердечники стыковые и шихтованные. В стыковых сердечниках стержни и ярма собираются отдельно и после укладки катушек объединяются в один сердечник. В шихтованных сердечниках стержни и ярма собираются впереплет (рис. 5). Затем полосы верхнего ярма вынимаются и после установки катушек снова укладываются на место. Стыковые сердечники получаются очень простыми в сборке и ремонте, однако в местах стыка возникают значительные потери от вихревых токов вследствие взаимного перекрытия полос стержней и ярем. Во избежание этого в стыках помещают тонкие изоляционные прокладки, которые, однако, уменьшают магнитную проводимость сердечника, но не устраняют полностью возможность замыкания полос между собой. Поэтому в настоящее время стыковые конструкции не применяются.
В стыках шихтованных сердечников также имеются дополнительные зазоры и потери от вихревых токов, однако значительно меньше, чем в стыковых сердечниках.
В холоднокатаной стали магнитные свойства значительно лучше вдоль проката, чем поперек, поэтому при повороте линий магнитного потока целесообразен скошенный стык между стержнем и ярмом (рис. 6).
Сердечники мощных однофазных трансформаторов выполняют двухрамными (рис. 7), Для улучшения охлаждения в таких сердечниках между его частями оставляется канал для циркуляции охлаждающего масла, значительно увеличивающий поверхность охлаждения. Ширина канала 12—20 мм обеспечивается изоляционными прокладками.

Рис. 8. Сечение стержня: а — трансформатора малой мощности, б — трансформатора большой мощности
Поперечные сечения стержней стержневых трансформаторов выполняются ступенчатыми (рис. 8). При увеличении количества ступеней улучшается использование площади внутри катушки для распределения магнитного потока, но усложняется изготовление

стержня. Ступени состоят из пакетов, собранных из полос одинаковой ширины. При больших диаметрах стержня между пакетами оставляют каналы для улучшения охлаждения.

Рис. 9. Сечение ярма: а — квадратное, б — ступенчатое
При масляном охлаждении ширина канала 5—6 мм и при воздушном охлаждении до 20 мм.
Броневые трансформаторы имеют прямоугольное сечение стержня с отношением  сторон 1 : 2 или 1 : 3, большая сторона прямоугольнику — в направлении сборки сердечника.
Сечение ярма обычно прямоугольное (рис. 9, а) или с небольшим количеством ступеней (рис. 9, б), причем каждый пакет и канал стержня сочетаются с пакетом и каналом ярма. Для увеличения магнитной проводимости сердечника и уменьшения потерь в стали обычно сечение ярма превышает на 10—15% сечение стержня.
Прессовка пакетов стержней в трансформаторах малой и средней мощности осуществляется при помощи деревянных планок, забиваемых между стержнем и изоляционным цилиндром, на котором намотана катушка обмотки (рис. 10, а). В трансформаторах большой мощности (более 1000 кВА на стержень) пакеты стержня стягиваются одним или двумя рядами стальных шпилек, изолированных относительно стержня трубками и шайбами из слоистого пластика — гетинакса или текстолита (рис. 10, б). Стяжка ярем осуществляется деревянными или стальными балками.
В трансформаторах малой мощности промышленной частоты применяется горячекатаная сталь тех же марок, что и в крупных трансформаторах. При увеличении частоты необходимо уменьшать толщину листа стали до 0,2—0,1 мм и при частоте порядка 1000 Гц оправдано применение прессованных сердечников из ферритов.
Для уменьшения количества стыков сердечник собирается из пластин, имеющих форму буквы Ш и полосок (рис. 11, а) или же из пластин с одним разрезом (рис. 11, б). Поперечное сечение сердечника имеет форму квадрата или прямоугольника.

Рис. 10. Прессовка сердечника: а — деревянными планками; б — стальными шпильками
1 — изоляционный цилиндр, 2 — деревянная планка, 3 — деревянный стержень, 4 — стальная шпилька, 5 — изоляционная трубка

В последнее время для однофазных трансформаторов мощностью до 500 кВ* а и для трансформаторов малой мощности применяют сердечники 7, намотанные из.

стальной ленты (рис. 12).

Рис. 12. Трансформатор с намотанным сердечником

Б. Обмотки трансформаторов. По взаимному расположению обмоток высшего и низшего напряжения и способу их размещения на стержнях различают обмотки концентрические и чередующиеся.

Рис. 11. Лист сердечника трансформатора малой мощности: а — из двух частей, б — с одним разрезом
Концентрические обмотки имеют форму цилиндров различных диаметров (рис. 2), ближе к стержню обычно располагается обмотка низшего напряжения и снаружи обмотка высшего напряжения. Такое расположение обмоток облегчает выполнение изоляции,
Концентрические обмотки получили наибольшее распространение во всех стержневых трансформаторах и броневых трансформаторах малой мощности. Их разновидностью являются двойные концентрические обмотки, когда обмотка высшего напряжения располагается между двумя слоями обмотки низшего напряжения. Такие обмотки имеют меньший поток рассеяния, но изоляция их значительно сложнее.

Рис. 13. Цилиндрическая двухслойная обмотка
В чередующихся обмотках катушки обмоток высшего и низшего напряжения выполняются в виде дисков, размещенных группами на стержнях (рис. 3, а). Эти обмотки обычно имеют меньший поток рассеяния и в них при большом токе легко могут быть образованы симметричные параллельные цепи. Однако изоляция этих обмоток сложнее из-за большого количества промежутков между катушками высшего и низшего напряжения. Чередующиеся обмотки применяются главным образом в броневых трансформаторах.

Рис. 14. цилиндрическая многослойная обмотка

Наименьшая часть обмотки, полностью схватывающая стержень, называется витком. Каждый  виток состоит из одного или нескольких расположенных рядом параллельных проводников. Последовательно соединенные витки объединяются в один конструктивный элемент и образуют катушку. Витки в катушке располагаются в один или несколько слоев. Обмотка состоит из одной или нескольких катушек, соединенных последовательно и параллельно.
Обмотки масляных трансформаторов выполняются из проводов марок ПЭЛБО, ПБ и ПББО. В сухих трансформаторах с теплостойкой изоляцией применяется провод марки ПСД. Винтовые обмотки представляют собой витки, расположенные по винтовой линии вокруг кругового цилиндра по всей длине катушки. Если витки прилегают вплотную друг к другу, то такие обмотки часто называют цилиндрическими. Однослойные и двухслойные катушки наматываются из
проводников прямоугольного сечения и используются для обмоток низшего напряжения до 6 кВ. При больших сечениях провода катушки изготовляются из нескольких параллельных проводников, которые располагаются в одном слое, для того чтобы они находились в одинаковых условиях по отношению к потоку рассеяния. Для улучшения охлаждения один слой катушки отделяется от другого каналом 1 шириной 5—8 мм (рис. 13).

Рис. 15. Цилиндрическая винтовая обмотка

Рис. 16. Схема перекладки проводников обмотки
Многослойные катушки выполняются обычно из проводников круглого сечения и используются для обмоток высшего напряжения до 35 кВ. Между слоями прокладывается изоляция из кабельной бумаги. При большом количестве слоев обмотка выполняется из двух катушек с каналом между ними (рис. 14). Описанные обмотки отличаются простотой устройства и изготовления, но имеют малую механическую прочность.
Винтовые обмотки с промежутками между витками наматываются из нескольких проводников прямоугольного сечения. Проводники обычно располагаются в радиальном направлении катушки, но при большом количестве проводников могут располагаться рядом по оси катушек или образовывать несколько ходов винтовой линии. Во всех случаях между витками остаются каналы 1 для охлаждения (рис. 15).
Для равномерного распределения тока между параллельными проводниками в винтовых обмотках требуется перекладка проводников, при этом желательно, чтобы каждый проводник поочередно занимал все положения по радиусу катушки. Так как для перекладки проводников требуется дополнительное место по высоте катушки, то обычно ограничиваются только частичной перекладкой (рис. 16), при которой отдельные проводники занимают лишь некоторые из возможных положений по радиусу катушки. Винтовые обмотки используются в качестве обмоток низшего напряжения ~ трансформаторов средней и большой мощности, они обладают достаточной механической прочностью, так как имеют значительные радиальные размеры.
Спиральные обмотки состоят из нескольких десятков катушек, расположенных по высоте стержня. Катушки наматываются непрерывным проводником, витки в катушках располагаются по спирали. Между катушками имеются каналы для их охлаждения (рис. 17). Если для изготовления катушек используются параллельные проводники, то при намотке катушек производится перекладка проводников подобно описанной для винтовых обмоток. Спиральная обмотка обладает большой механической прочностью и надежностью, поэтому несмотря на сложность изготовления она широко применяется как обмотка высшего и низшего напряжения в трансформаторах большой мощности.

Рис. 17. Спиральная непрерывная обмотка
Катушки чередующихся обмоток из прямоугольного провода наматываются в виде двух расположенных рядом спиралей (как пара катушек спиральной обмотки). В обмотке высшего напряжения катушки соединяются последовательно, в обмотке низшего напряжения они образуют ряд параллельных цепей.
В трансформаторах небольшой мощности дисковые катушки выполняются из круглого провода, как в многовитковой обмотке.
Важным элементом конструкции обмотки является ее изоляция. При небольших мощностях и низких напряжениях катушки цилиндрических обмоток надеваются непосредственно на стержень сердечника. Деревянные клинья и планки, сжимающие стержень, одновременно выполняют роль изоляции обмотки от стержня. При значительных напряжениях и больших мощностях трансформатора обмотка отделяется от стержня одним или двумя изоляционными цилиндрами (рис. 18).

Рис. 18. Обмотки трехфазного трансформатора
В. Бак трансформатора. Конструктивное оформление трансформатора зависит в значительной степени от способа его охлаждения. По этому признаку трансформаторы делятся на следующие группы: а) сухие с естественным охлаждением или с искусственным воздушным охлаждением; б) масляные с естественным охлаждением; в) масляные с искусственным воздушным охлаждением масляного бака; г) масляные с искусственной циркуляцией масла и охлаждением его в особых охладителях с естественным или искусственным воздушным или водяным охлаждением.
В сухих трансформаторах с естественным охлаждением теплоотдача от трансформатора происходит непосредственно окружающему трансформатор воздуху. Так как коэффициент теплоотдачи в воздух невелик, то сухие трансформаторы с естественным охлаждением обычно выполняются лишь в единицах малой мощности для напряжений, не превышающих 6—10 кВ.
Основное значение имеют в настоящее время масляные трансформаторы, в которых стержень с обмотками помещается в бак с маслом. Циркуляция масла внутри бака обеспечивает передачу тепловой энергии потерь от обмоток и стержня к стенкам бака.
Чтобы нагревающееся масло могло свободно расширяться, в трансформаторах мощностью до 75 кВА и напряжением до 6,3 кВ его не доливают до крышки бака. При нагревании вытесняемый из бака воздух выходит через специальную пробку, которая одновременно служит для заливки масла в трансформатор.

Трансформаторы большой мощности снабжаются так называемыми расширителями. Они выполняются чаще всего в форме цилиндра из листовой стали, устанавливаемого на крышке трансформатора (рис. 19).
Обычно объем расширителя составляет 10% от объема масла в баке.
При наинизшей температуре (трансформатор выключен, холодное время года) масло находится в расширителе на нижней отметке; при нагревании масло вытесняется в расширитель, и уровень его повышается.
При последующем охлаждении уровень опять понижается и т. д. Этот процесс часто называют «дыханием» трансформатора.

Недостатком трансформаторного масла является его горючесть (температура вспышки около 160° С) и возможность образования взрывчатых смесей из паров масла и воздуха. В общественных и производственных зданиях необходимо устанавливать пожаро- и взрывозащищенные трансформаторы. Такие трансформаторы заполняются негорючей жидкостью — соволом или совтолом.
Баки в небольших трансформаторах выполняются гладкими; в трансформаторах средней мощности для увеличения охлаждающей поверхности применяются трубчатые баки, состоящие из труб, диаметром около 55 мм, вваренных в стенку бака и расположенных в один или несколько рядов (рис. 19). Широко распространенные ранее баки из волнистой стали в настоящее время не выполняются, так как по сравнению с трубчатыми они механически менее прочны и теплоотдача их хуже.
Для большего увеличения охлаждающей поверхности в трансформаторах значительной мощности применяются баки радиаторного типа с естественным охлаждением или с искусственным воздушным охлаждением с помощью вентиляторов 1 мощностью 150—200 вт (рис. 20).

Рис. 19. Трансформатор с трубчатым баком
1 — обмотка высшего напряжения, 2 — обмотка низшего напряжения, 3 — переключатель регулируемых отводов обмотки высшего напряжения, 4 — балка, прессующая ярмо, 5 — сердечник, в — отводы обмотки высшего напряжения, 7 — отводы обмотки низшего напряжения, 8 — патрубок для присоединения вакуумного насоса, 9 — кольцо для подъема выемной части, 10 — кран для заливки масла, 11 — ввод обмотки высшего напряжения, 12 — ввод обмотки низшего напряжения; 13 — привод переключателя, 14 — выхлопная труба, 15 — расширитель, 16 — газовое реле, 17 — трубчатый бак, 18 — кран для спуска масла, 19 — ролик, 20 — вертикальная стяжная шпилька, 21 — упорный угольник на дне бака
Последние выполняются на самые большие мощности. Но если место для установки трансформатора ограничено, применяют принудительную циркуляцию масла. Сущность этого способа охлаждения состоит в том, что масло при помощи насоса заставляют циркулировать через воздушный или водяной охладитель. В этих
условиях теплоотдача происходит очень интенсивно, и трансформатор может быть выполнен компактным. К недостаткам такого рода охлаждения следует отнести наличие дополнительного насосного агрегата охладительной системы и значительный расход воды на охлаждение (около 1,5 л/мин на 1 кета потерь при разности температур выходящей и входящей воды около 10° С).

Рис. 20. Двойной трубчатый радиатор с искусственной вентиляцией
Весьма большое значение в оборудовании трансформатора имеют выводные изоляторы, служащие для вывода концов обмоток из бака. Они устанавливаются обычно на верхней крышке бака трансформатора (рис. 19) и выполняются чаще всего из фарфора.

• Назад
• Вперед

• Назад
• Вперед

org/BreadcrumbList”>
• Вы здесь:  
• Главная
• Книги
• Архивы
• Монтаж электрических установок

Читать также:

• Ремонт магнитопровода силового трансформатора
• Обозначения типов трансформаторов
• Ремонт обмоток силовых трансформаторов
• РНОА переключающие устройства
• Автотрансформатор

Трансформатор – Устройство, виды, принцип работы

Слово «трансформатор» образуется от английского слова «transform»  — преобразовывать, изменяться. Но дело в том, что сам трансформатор не может как-либо измениться либо поменять форму и так далее. Он обладает еще более удивительный свойством — преобразует переменное напряжение одного значения в переменное напряжение другого значения. Ну разве это не чудо? В этой статье мы будем рассматривать именно трансформаторы напряжения.

Трансформатор напряжения

Трансформатор напряжения можно отнести больше к электротехнике, чем к электронике. Самый обыкновенный однофазный трансформатор напряжения выглядит вот так.

Если откинуть верхнюю защиту трансформатора, то мы можем четко увидеть, то он состоит из какого-то железного каркаса, который собран из металлических пластин, а также из двух катушек, которые намотаны на этот железный каркас. Здесь мы видим, что из одной катушки выходит два черных провода

а с другой катушки два красных провода

Эти обе катушки одеваются на сердечник трансформатора. То есть в результате мы получаем что-то типа этого

Ничего сложного, правда ведь?

Но дальше самое интересное. Если подать на одну из этих катушек переменное напряжение, то в другой катушке тоже появляется переменное напряжение. Но как же так возможно? Ведь эти обмотки абсолютно не касаются друг друга и они изолированы друг от друга. Во чудеса! Все дело, в так называемой электромагнитной индукции.

Если объяснить простым языком, то когда на первичную обмотку подают переменное напряжение, то в сердечнике возникнет переменное магнитное поле с такой же частой. Вторая катушка улавливает это переменное магнитное поле и уже выдает переменное напряжение на своих концах.

Обмотки трансформатора

Эти самые катушки с проводом в трансформаторе называются обмотками. В основном обмотки состоят из медного лакированного провода. Такой провод находится в лаковой изоляции, поэтому, провод в обмотке не коротит друг с другом. Выглядит такой обмоточный трансформаторный провод примерно вот так.

Он может быть разного диаметра. Все зависит от того, на какую нагрузку рассчитан тот или иной трансформатор.

У самого простого однофазного трансформатора можно увидеть две такие обмотки.

Обмотка, на которую подают напряжение называется первичной. В народе ее еще называют «первичка». Обмотка, с которой уже снимают напряжение называется вторичной или «вторичка».

Для того, чтобы узнать, где первичная обмотка, а где вторичная, достаточно посмотреть на шильдик трансформатора.

I/P: 220М50Hz (RED-RED) — это говорит нам о том, что два красных провода — это первичная обмотка трансформатора, на которую мы подаем сетевое напряжение 220 Вольт. Почему я думаю, что это первичка? I/P — значит InPut, что в переводе «входной».

O/P: 12V 0,4A (BLACK, BLACK) — вторичная обмотка трансформатора с выходным напряжением в 12 Вольт (OutPut). Максимальная сила тока, которую может выдать в нагрузку этот трансформатор — это 0,4 Ампера или 400 мА.

 

Как работает трансформатор

Чтобы разобраться с принципом работы, давайте рассмотрим рисунок.

Здесь мы видим простую модель трансформатора. Подавая на вход переменное напряжение U₁ в первичной обмотке возникает ток I₁ . Так как первичная обмотка намотана на замкнутый магнитопровод, то в нем начинает возникать магнитный поток, который возбуждает во вторичной обмотке напряжение U₂ и ток I₂ . Как вы можете заметить, между первичной и вторичной обмотками трансформатора нет электрического контакта. В электронике это называется гальванически развязаны.

Формула трансформатора

Главная формула трансформатора выглядит так.

где

U₂  — напряжение на вторичной обмотке

U₁ — напряжение на первичной обмотке

N₁ — количество витков первичной обмотки

N₂ — количество витков вторичной обмотки

k — коэффициент трансформации

В трансформаторе соблюдается также закон сохранения энергии, то есть какая мощность заходит в трансформатор, такая мощность выходит из трансформатора:

Эта формула справедлива для идеального трансформатора. Реальный же трансформатор будет выдавать на выходе чуть меньше мощности, чем на его входе. КПД трансформаторов очень высок и порой составляет даже 98%.

Типы трансформаторов по конструкции

Однофазные трансформаторы

Это трансформаторы, которые преобразуют однофазное переменное напряжение одного значения в однофазное переменное напряжение другого значения.

В основном однофазные трансформаторы имеют две обмотки, первичную и вторичную. На первичную обмотку подают одно значение напряжения, а со вторичной снимают нужное нам напряжение. Чаще всего в повседневной жизни можно увидеть так называемые сетевые трансформаторы, у которых первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение, то есть 220 В.

На схемах однофазный трансформатор обозначается так:

Первичная обмотка слева, а вторичная — справа.

Иногда требуется множество различных напряжений для питания различных приборов. Зачем ставить на каждый прибор свой трансформатор, если можно с одного трансформатора получить сразу несколько напряжений? Поэтому, иногда вторичных обмоток бывает несколько пар, а иногда даже некоторые обмотки выводят прямо из имеющихся вторичных обмоток. Такой трансформатор называется трансформатором со множеством вторичных обмоток. На схемах можно увидеть что-то подобное:

Трехфазные трансформаторы

Эти трансформаторы в основном используются в промышленности и чаще всего превосходят по габаритам простые однофазные трансформаторы. Почти все трехфазные трансформаторы считаются силовыми. То есть они используются в цепях, где нужно питать мощные нагрузки. Это могут быть станки ЧПУ и другое промышленное оборудование.

На схемах трехфазные трансформаторы обозначаются вот так:

Первичные обмотки обозначаются заглавными буквами, а вторичные обмотки — маленькими буквами.

Здесь мы видим три типа соединения обмоток (слева-направо)

• звезда-звезда
• звезда-треугольник
• треугольник-звезда

В 90% случаев используется именно звезда-звезда.

Типы трансформаторов по напряжению

Понижающий трансформатор

Это трансформатор, которые понижает напряжение. Допустим, на первичную обмотку мы подаем 220 Вольт, а снимаем 12 Вольт. В этом случае коэффициент трансформации (k) будет больше 1.

Повышающий трансформатор

Это трансформатор, который  повышает напряжение. Допустим,  на первичную обмотку мы подаем 10 Вольт, а со вторичной снимаем уже 110 В. То есть мы повысили наше напряжение 11 раз. У повышающих трансформаторов коэффициент трансформации меньше 1.

Разделительный или развязывающий трансформатор

Такой трансформатор используется в целях электробезопасности. В основном это трансформатор с одинаковым числом обмоток на входе и выходе, то есть его напряжение на первичной обмотке будет равняться напряжению на вторичной обмотке. Нулевой вывод вторичной обмотки такого трансформатора не заземлен. Поэтому, при касании фазы на таком трансформаторе вас не ударит электрическим током. Про его использование можете прочесть в статье про ЛАТР. У развязывающих трансформаторов коэффициент трансформации равен 1.

Согласующий трансформатор

Такой трансформатор используется для согласования входного и выходного сопротивления между каскадами схем.

Работа понижающего трансформатора на практике

Понижающий трансформатор — это такой трансформатор, который выдает на выходе напряжение меньше, чем на входе. Коэффициент трансформации (k) у таких трансформаторов больше 1 . Понижающие трансформаторы — это самый распространенный класс трансформаторов в электротехнике и электронике. Давайте же рассмотрим, как он работает на примере трансформатора 220 В —> 12 В .

Итак, имеем простой однофазный понижающий трансформатор.

Именно на нем мы будем проводить различные опыты.

Подключаем красную первичную обмотку к сети 220 Вольт и замеряем напряжение на вторичной обмотке трансформатора без нагрузки. 13, 21 Вольт, хотя на трансформаторе написано, что он должен выдавать 12 Вольт.

Теперь подключаем нагрузку на вторичную обмотку и видим, что напряжение просело.

Интересно, какую силу тока кушает наша лампа накаливания? Вставляем мультиметр в разрыв цепи и замеряем.

Если судить по шильдику, то на нем написано, что он может выдать в нагрузку 400 мА и напряжение будет 12 Вольт, но как вы видите, при нагрузку близкой к 400 мА у нас напряжение просело почти до 11 Вольт. Вот тебе и китайский трансформатор. Нагружать более, чем 400 мА его не следует. В этом случае напряжение просядет еще больше, и трансформатор будет греться, как утюг.

Как проверить трансформатор

Как проверить на короткое замыкание обмоток

Хотя обмотки  прилегают очень плотно к друг другу, их разделяет лаковый диэлектрик, которым покрываются и первичная и вторичная обмотка. Если где-то возникло короткое замыкание между проводами, то трансформатор будет сильно греться или издавать сильный гул при работе. Также он будет пахнуть горелым лаком. В этом случае стоит замерить напряжение на вторичной обмотке и сравнить, чтобы оно совпадало с паспортным значением.

Проверка на обрыв обмоток

При  обрыве все намного проще. Для этого с помощью мультиметра мы проверяем целостность первичной и вторичной обмотки. Итак, сопротивление первичной обмотки нашего трансформатора чуть более 1 КОм. Значит обмотка целая.

Таким же образом проверяем и вторичную обмотку.

Отсюда делаем вывод, что наш трансформатор жив и здоров.

Похожие статьи по теме «трансформатор»

Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР)

Программа для расчета трансформатора

Как получить постоянное напряжение из переменного

Принцип работы трансформатора, устройство понижающего и повышающего трансформатора, виды и типы, формула КПД, напряжение короткого замыкания трансформатора, схема замещения

Принцип работы трансформатора должен знать каждый человек, который хочет более осознанно смотреть на используемую в быту и промышленности технику и понимать основы ее функционирования. Трансформатор относится к одному из самых универсальных и широко используемых устройств, которое в той или иной форме можно встретить практически везде.

С помощью этого аппарата происходит преобразование изначального напряжения электрического сигнала в более высокое или низкое, в зависимости от поставленных задач. Есть как непосредственно трансформаторы, которые изначально запрограммированы выполнять только одну функцию, так и так называемые латеры – аппараты, в которых рабочее напряжение можно менять прямо во время эксплуатации оборудования.

Без трансформатора невозможно представить себе нашу привычную жизнь. Перед тем, как электрический сигнал попадает в дом, происходит понижение его напряжения на специальных трансформаторных станциях.

Передача электрической энергии на большие расстояния по проводам происходят наоборот, благодаря повышению напряжения с привычных 220-380 В до нескольких десятков кВ. Любая бытовая техника, даже самый примитивный блок питания, также выполняют задачи трансформатора.

Именно поэтому очень важно хотя бы в общих чертах понимать, как работает данное устройство.

Содержание

Трансформатор что это такое

Само название данного технического приспособления пошло от латинского термина transformare, что означает – преобразовывать, изменять, превращать. Трансформатором называется устройство статического электромагнитного типа, которое выполняет задачу преобразования напряжения переменного типа, а также служит для осуществления гальванической развязки в электрических схемах.

В последнем случае имеется ввиду такой тип передачи электрической энергии или информационного сигнала, при котором между контактирующими деталями нет непосредственного электрического контакта.

Трансформатор может быть однофазным или же трехфазным, хотя по особенностям конструкции они и не слишком сильно отличаются.

Данное устройство было изобретено, основываясь на работах великого ученого Фарадея (по другим версиям – он его и изобрел), который открыл явление электромагнитной индукции. В 1831 году М. Фарадей и другой ученый Д. Генри разработали первое схематическое изображение рассматриваемого прибора.

Позже, в 1876 году, русский изобретатель П. Н. Яблочков запатентовал первый трансформатор переменного тока.

Виды и типы

С тех пор, когда Фарадей и Генри впервые изобразили на схеме рассматриваемое приспособление, прошло немало времени. И сейчас количество разнообразных преобразующих ток устройств пошло на десятки.

Бывают такие основные виды трансформаторов, которые активно используются практически во всех сферах деятельности человека:

1. Автотрансформатор устройство, в котором первичная и вторичная обмотки соединены не только магнитным, но и непосредственно электрическим контактами.
2. Силовой применяется в сетях с большими напряжениями электрического тока, измеряемыми киловольтами. Чаще всего работают при ЛЭП, небольших электростанциях, а также в домах конечных пользователей.
3. Трансформатор тока. Ток первичной обмотки, который поступает напрямую с его источника, здесь понижается до пределов, требуемых для бесперебойной работы определенных типов техники.
4. Трансформатор напряжения. В отличие от предыдущего случая, питается не источником тока, а источником напряжения. Чаще всего здесь высокое напряжение трансформируется в более низкое.
5. Импульсивный отличается тем, что обрабатывает электрические сигналы длительностью в миллисекунды.
6. Сварочный преобразует напряжение в более низкое, а ток – в значительно более высокий, требуемый для задач сварки.
7. Разделительный, в котором первичная обмотка электрически не привязана к вторичной. Необходим для обеспечения большего уровня безопасности при работе с электросетями.

Также есть еще согласующий, пик-трансформатор, сдвоенный дроссель, вращающий и другие типы рассматриваемого устройства, предназначенные для решения конкретных технических задач.

Общее устройство

Конструкция изделия в общем виде выглядит достаточно просто.

Основу устройства составляют такие важнейшие его элементы:

1. Первичная обмотка катушка, на которую намотано N количество витков проводника. Два электрических контакта позволяют подключать к ней источники постоянного тока или напряжения.
2. Вторичная обмотка по типу конструкции полностью повторяет первичную, но имеет отличное от нее количество витков проводника M. Также здесь расположены контакты для вывода электрического сигнала на следующего или конечного потребителя тока или напряжения.
3. Магнитный стержень, обычно прямоугольной формы, на который по его сторонам надеты в плотном контакте к основе упомянутые выше катушки. Предназначен для того, чтобы передавать возникшее в результате действия электромагнитной индукции магнитное поле с первой на вторую катушку и возбуждать в нем пропорциональный электрический сигнал.

Все указанные элементы могут находиться в корпусе, который иногда бывает заполнен специальным трансформаторным маслом. Устроен прибор просто, и даже самая примитивная схема замещения легко объясняет его принципы работы.

Принцип действия

Самое главное в изучении прибора состоит в том, чтобы разобраться на каком физическом явлении основана работа трансформатора? Как уже вкратце упоминалось выше, в основе функционирования устройства лежит открытая Майклом Фарадеем электромагнитная индукция.

Ее суть заключается в следующем – переменное магнитное поле генерирует электрический ток в находящихся рядом проводниках. В школе все должны были видеть эксперимент, который это демонстрирует – в контур из проволоки вставляется и вытаскивается магнит, а на подключенном к проволоке амперметре можно наблюдать появление тока.

Формула, представленная Фарадеем, который открыл закон возникновения ЭДС, показывает, что возникающая электродвижущая сила пропорциональна магнитному потоку через данный контур.

Кратко говоря, суть работы трансформатора следующая – когда на первичную обмотку подается напряжение и по ней течет ток, возникает магнитное поле определенной величины. Оно распространяется по магнитопроводу или магнитному сердечнику, и генерирует во второй обмотке электрический ток, который пропорционален как величине магнитного поля, так и количеству витков проводника на второй обмотке. Главная характеристика устройства – его КПД.

Зависимость напряжения от количества витков

Возникающее напряжение и КПД в устройстве на второй обмотке напрямую зависит от количества витков на ней.

Рассмотрим наиболее распространенные разновидности, касающиеся этого вопроса:

1. Разделительный трансформатор. Здесь электрическое соединение обмоток отсутствует, а количество витков на второй из них равно первой. То есть, n1 / n2 = 1.
2. Понижающий. В этом случае на вторичной обмотке находится меньше витков проводника, чем на первичной, или n1 / n2 ˃ 1.
3. Повышающий трансформатор. Здесь ситуация прямо противоположна предыдущему случаю на вторичной обмотке витков больше, чем на первичной n1 / n2 ˂ 1.

В некоторых устройствах есть возможность изменять режим работы и параметр n2 в зависимости от потребностей конечного потребителя и изменяющихся условий эксплуатации.

Из чего состоит трансформатор

Строение рассматриваемого технического приспособления уже было рассмотрено выше. Но возникает вопрос: а какие магнитные материалы применяются для обеспечения его бесперебойной работы?

Магнитные материалы

Магнитная система трансформаторов обычно делается из специальной электротехнической стали высокой степени чистоты. Используется она по той причине, что позволяет добиться максимальной передачи магнитного сигнала без больших потерь и увеличивает КПД устройства.

Также к популярным магнитным материалам относятся всевозможные сплавы с применением в их составе углерода и кремния, который позволяет значительно увеличить магнитную проницаемость материала.

Магнитопровод и его типы

Что касается магнитопровода, то он обычно делится на типы:

1. Стержневой тип. Отличается ступенчатым сечением вертикального стержня, вписывающегося в окружность. На самих вертикальных элементах располагаются обмотки.
2. Броневой тип. Здесь каждый стержень имеет прямоугольную форму в поперечном сечении и это же касается обмоток – они также прямоугольные. Производство таких элементов достаточно затруднено.
3. Тороидальный тип. Отличается круглой формой и требует минимальное количество материала для изготовления. Сечение здесь круглое, а обмотка наматывается перпендикулярно направлению линий круга.

Есть и более углубленные классификации, но они представляют интерес больше для специалистов. Параметры разных типов магнитопроводов могут значительно отличаться.

Буквенные и схематические обозначения трансформатора

На всех электрических схемах трансформатор, равно как и его мощность и другие параметры, изображаются специальными символами и буквами. Само устройство изображается в виде двух проводков с несколькими витками, между которыми находится стержень в виде вертикальной линии.

Условные графические обозначения трансформаторов.

а – трансформатор без магнитопровода с постоянной связью,

б – трансформатор без магнитопровода с переменной связью,

в – трансформатор с магнитодиэлектрическим магнитопроводом,

г – трансформатор, подстраиваемый общим магнитодиэлектрическим магнитопроводом,

д – трансформатор со ступенчатым регулированием,

е – трансформатор однофазный с ферромагнитным магнитопроводом и экраном между обмотками,

ж – трансформатор дифференциальный (с отводом от средней точки одной обмотки),

з – трансформатор однофазный с ферромагнитным магнитопроводом трехобмоточный,

и – трансформатор трехфазный с ферромагнитным магнитопроводом, с соединением обмоток звезда – звезда с выведенной нейтральной (средней) точкой,

к – трансформатор трехфазный с ферромагнитным магнитопроводом, соединение обмоток звезда с выведенной нейтральной (средней) точкой – треугольник,

л – трансформатор трехфазный трехобмоточный с ферромагнитным магнитопроводом, с соединением обмоток звезда с регулированием под нагрузкой – треугольник – звезда с выведенной нейтральной (средней) точкой,

м – в развернутых обозначениях обмоток трансформаторов (Форма 2) допускается наклонное изображение линий связи, например, обмотка трансформатора с соединением обмоток звезда – треугольник,

н – трансформатор трехфазный трехобмоточный (фазорегулятор), соединение обмоток звезда – звезда,

о – трансформатор вращающийся, фазовращатель (обозначение соединения обмоток статора и ротора между собой производится в зависимости от назначения машины),

п – трансформаторная группа из трех однофазных двухобмоточных трансформаторов с соединением обмоток звезда – треугольник.

Что касается буквенных обозначений, то здесь все выглядит так:

• О – указывает на однофазное устройство,
• Т – трехфазное,
• С – воздушный тип охлаждения,
• М – масляное охлаждение,
• Д – смесь воздушной и масляной системы,
• Р – обозначает, что устройство с расщепленной обмоткой,
• А – автотрансформатор.

Есть и другие буквенные обозначения, и в целом их очень много.

Применение трансформаторов

Самая главная область использования рассматриваемого приспособления – это электросети, которые подают ток для домов, заводов, офисных помещений и т. д.

Электростанции используют силовые трансформаторы для того, чтобы подавать на потребителя ток не 16 кВ напряжения, каким они его принимают, а привычные 220-380 В.

Также устройство активно используется во всевозможном электрооборудовании, установках на производстве, в бытовой технике и источниках питания.

12 различных частей трансформатора

Трансформатор обеспечивает подачу электроэнергии с минимальными потерями мощности. Основными частями трансформатора являются сердечник, первичная обмотка и вторичная обмотка. Помимо этого, в более крупных трансформаторах присутствуют различные другие компоненты, такие как изоляция, трансформаторное масло, устройства охлаждения, реле защиты, корпус и т. д. Давайте обсудим принцип работы трансформатора, прежде чем углубляться в тему.

Содержание

Трансформатор – принцип действия

Трансформатор – это статическое устройство, работающее по принципу электромагнитной индукции. Когда в первичной обмотке трансформатора протекает переменный ток, создается переменное электромагнитное поле, которое индуцирует ЭДС во вторичной обмотке. Величина индуцированной ЭДС пропорциональна передаточному числу витков.

Части трансформатора

Части трансформатора

Ниже приведены различные части трансформатора:

1. Core
2. Winding
3. Insulation
4. Tank
5. Terminals and bushings
6. Transformer oil
7. Oil Conservator
8. Breather
9. Radiators and fans
10. Explosion vent
11. Tap Changers
12. Buchholz relay

1 Сердечник

Сердечник обеспечивает путь с низким магнитным сопротивлением для электромагнитного потока и поддерживает первичную и вторичную обмотки. Изготавливается путем укладки тонких листов высококачественной текстурированной стали, разделенных тонким изоляционным материалом. Чтобы свести к минимуму гистерезис и вихревые токи, содержание углерода в основной стали поддерживается на уровне ниже 0,1%. Когда он легирован кремнием, вихревые токи могут быть уменьшены.

Типичный сердечник трехфазного трансформатора показан на рисунке выше. Каждая конечность несет первичную и вторичную обмотку каждой фазы. Конечности магнитно связаны ярмами. Существует два типа конструкций сердечника: тип сердечника и тип оболочки. В оболочечной конструкции обмотки окружены сердечником, как показано ниже:

Источник: https://www.allumiax.com/difference-between-core-form-and-shell-form-power-transformers-by- Generalpac

Для получения дополнительной информации о сердечниках трансформаторов, их конструкции и принципах проектирования см.: Сердечник трансформатора

2. Обмотка

Трансформатор имеет два набора обмоток на фазу – первичную обмотку и вторичную обмотку. Эти обмотки состоят из нескольких витков медных или алюминиевых проводников, изолированных друг от друга и сердечника трансформатора. Тип и расположение обмотки, используемой для трансформаторов, зависят от номинального тока, силы короткого замыкания, повышения температуры, импеданса и перенапряжения.

Из первичной и вторичной обмоток та, которая рассчитана на более высокое напряжение, называется обмоткой высокого напряжения (ВН), а другая известна как обмотка низкого напряжения (НН).

Проводники обмотки высокого напряжения тоньше проводников низкого напряжения и окружают обмотку НН снаружи. Обмотка НН расположена близко к сердечнику.

В трансформаторах с кожухом обмотка разделена на несколько витков (несколько витков проводника). Катушки высокого напряжения зажаты между катушками низкого напряжения. В то время как в трансформаторах с сердечником обмотки подразделяются на четыре типа: многослойные обмотки, спиральные обмотки, дисковые обмотки и обмотки из фольги. Выбор типа обмотки определяется количеством витков и ее пропускной способностью по току.

Подробнее о различных типах обмоток трансформаторов: Типы обмоток трансформаторов

3. Изоляция

Изоляция является наиболее важной частью трансформаторов. Нарушения изоляции могут привести к самым серьезным повреждениям трансформаторов. Изоляция необходима между обмотками и сердечником, между обмотками, между каждым витком обмотки и между всеми токоведущими частями и баком. Изоляторы должны обладать высокой диэлектрической прочностью, хорошими механическими свойствами и способностью выдерживать высокие температуры. Синтетические материалы, бумага, хлопок и т. д. используются в качестве изоляции в трансформаторах.

Сердечник, обмотка и изоляция являются основными частями трансформатора и присутствуют во всех типах.

Подробнее об изоляторах: Изоляционные материалы, используемые в трансформаторах

4.

Бак

Главный бак является частью трансформатора и служит двум целям:

1. Защищает сердечник и обмотки от внешней среды.
2. Служит емкостью для масла и опорой для всех других принадлежностей трансформатора.

Корпуса резервуаров изготавливаются путем изготовления емкостей из прокатных стальных листов. Они снабжены подъемными крюками и охлаждающими трубками. Для снижения веса и потерь от случайных потерь вместо стальных пластин также используются алюминиевые листы. Однако алюминиевые баки дороже, чем стальные.

5. Клемма и втулки

Для соединения подводящих и отводящих кабелей в трансформаторах имеются клеммы. Они установлены на втулках и соединены с концами обмоток.

Втулки — это изоляторы, образующие барьер между клеммами и резервуаром. Они монтируются над баками трансформатора. Они являются безопасным проходом для проводников, соединяющих клеммы с обмотками. Их изготавливают из фарфора или эпоксидных смол.

6.

Трансформаторное масло

Во всех масляных трансформаторах трансформаторное масло обеспечивает дополнительную изоляцию между токоведущими частями, лучшее рассеивание тепла и функции обнаружения неисправностей. Углеводородное минеральное масло используется в качестве трансформаторного масла. Он состоит из ароматических соединений, парафинов, нафтенов и олефинов. Трансформаторное масло имеет температуру вспышки 310 градусов Цельсия, относительную проницаемость 2,7 и плотность 0,9.6 кг/см3.

7. Расширители масла

Расширитель масла устанавливается на верхнюю часть трансформаторов и располагается значительно выше бака и вводов. Обычно в некоторых маслорасширителях имеется резиновая камера. Трансформаторное масло расширяется и сжимается при повышении и понижении температуры. Маслорасширитель обеспечивает достаточно места для расширения масла. Он соединен с основным резервуаром через трубу. На маслорасширителе установлен индикатор уровня, показывающий уровень масла внутри.

8. Сапун

Сапун имеется во всех масляных трансформаторах с расширительным баком. Масло необходимо оберегать от влаги. Поскольку колебания температуры вызывают расширение и контакт трансформаторного масла, воздух поступает в расширительный бак и выходит из него. Этот воздух не должен содержать влаги. Дыхание служит этой цели.

К концу воздушной трубы крепится сапун, через который воздух входит и выходит из расширителя. Силикагель, присутствующий в сапунах, удаляет влагу из воздуха и подает обезвоженный воздух в расширитель.

9. Радиаторы и вентиляторы

Потери мощности в трансформаторе рассеиваются в виде тепла. Сухие трансформаторы в основном имеют естественное воздушное охлаждение. Но когда дело доходит до масляных трансформаторов, используются различные методы охлаждения. В зависимости от номинальной мощности в кВА, потерь мощности и уровня требований к охлаждению на баке трансформатора монтируются радиаторы и охлаждающие вентиляторы.

Части трансформатора: Радиаторы и охлаждающие вентиляторы

Тепло, выделяемое в сердечнике и обмотке, передается окружающему трансформаторному маслу. Это тепло рассеивается на радиаторе. В более крупных трансформаторах принудительное охлаждение достигается с помощью охлаждающих вентиляторов, установленных на радиаторах.

Подробнее : Методы охлаждения трансформатора

10. Взрывоотвод

Взрывоотвод действует как аварийный выход для масляных и воздушных газов внутри трансформатора. Это металлическая труба с диафрагмой на одном конце, расположенная немного выше расширительного бака. Неисправности, возникающие под маслом, повышают давление внутри бака до опасного уровня. В таких условиях диафрагма разрывается при относительно низком давлении, чтобы высвободить силы внутри трансформатора в атмосферу.

11. Переключатели ответвлений

Переключатели ответвлений используются для регулировки вторичного напряжения трансформаторов. Они предназначены для изменения коэффициента трансформации трансформатора по мере необходимости. Существует два типа переключателей ответвлений: переключатели ответвлений под нагрузкой и переключатели ответвлений без нагрузки.

Переключатели ответвлений под нагрузкой

Переключатели ответвлений без нагрузки предназначены для работы только тогда, когда трансформатор не питает нагрузки, тогда как переключатели ответвлений под нагрузкой способны работать без прерывания подачи тока к нагрузке. Также доступны автоматические переключатели ответвлений.

12. Реле Бухгольца

Реле Бухгольца является одной из важнейших частей масляных трансформаторов мощностью более 500 кВА. Это реле с масляным и газовым приводом, которое используется для обнаружения неисправностей, возникающих в деталях, погруженных в масло.

Короткие замыкания, возникающие под трансформаторным маслом, выделяют достаточно тепла, чтобы разложить масло на водород, монооксид углерода, метан и т. д. Эти газы постепенно перемещаются в бак расширителя через соединительную трубу. Реле Бухгольца, смонтированное на трубе, соединяющей расширительный бак и основной бак, улавливает эти газы и активирует цепи отключения и сигнализации. Цепь отключения размыкает автоматический выключатель, подающий ток на первичную обмотку, и прерывает протекание тока.

Подробнее о реле Бухгольца, их конструкции и работе читайте здесь.

Помимо всех описанных выше частей трансформатора, в огромных трансформаторах имеется множество других датчиков (датчики температуры, датчики давления и т. д.), индикаторы, реле защиты, теплообменники (для эффективного охлаждения) и клапаны. Они зависят от приложения и присутствуют в огромных трансформаторах.

частей трансформатора – Miracle Electronic Devices Pvt. ООО

Трансформаторы используются для передачи электрической энергии от одной цепи к другой посредством электромагнитной индукции. Они используются для повышения или понижения уровня напряжения. Трансформатор состоит из нескольких разных частей, которые функционируют по-своему, чтобы улучшить общее функционирование трансформатора. К ним относятся сердечник, обмотки, изоляционные материалы, трансформаторное масло, устройство РПН, расширитель, сапун, охлаждающие трубки, реле Бухгольца и взрывоотвод. Сердечник, обмотки, изоляционные материалы и трансформаторное масло используются почти в каждом трансформаторе, в то время как другие компоненты используются в трансформаторах мощностью более 50 кВА.

Сердечник

Сердечник трансформатора используется для поддержки обмоток. Он изготовлен из мягкого железа, чтобы уменьшить потери на вихревые токи и потери на гистерезис, а также обеспечивает низкое сопротивление пути к потоку магнитного потока. Диаметр сердечника трансформатора прямо пропорционален потерям в меди и обратно пропорционален потерям в железе.

Обмотки

Обмотки состоят из нескольких витков медных катушек, соединенных вместе, каждый пучок соединен в единую обмотку. Обмотки могут быть основаны либо на входе-выходе питания, либо на диапазоне напряжения. Обмотки, основанные на питании, подразделяются на первичные и вторичные обмотки, что означает обмотки, к которым приложено входное и выходное напряжение соответственно. С другой стороны, обмотки в зависимости от диапазона напряжения можно разделить на обмотки высокого и низкого напряжения.

Изоляционные материалы

Изоляционные материалы, такие как бумага и картон, используются для изоляции первичной и вторичной обмоток друг от друга, а также от сердечника трансформатора. Эти обмотки изготовлены из меди из-за высокой проводимости и пластичности. Высокая проводимость минимизирует количество необходимой меди и минимизирует потери. Кроме того, высокая пластичность приводит к легкому изгибу проводников в плотную обмотку вокруг сердечника, что также сводит к минимуму количество меди и объем обмотки.

Трансформаторное масло

Трансформаторное масло изолирует, а также охлаждает сердечник и обмотку. Сердечник и обмотки трансформатора должны быть полностью погружены в масло, обычно содержащее углеводородные минеральные масла.

Расширитель

Расширитель представляет собой герметичную металлическую цилиндрическую бочку, установленную над трансформатором и сохраняющую трансформаторное масло. Он вентилируется сверху и заполнен маслом только наполовину, что позволяет расширять и сжимать его при колебаниях температуры. Однако главный бак трансформатора, с которым соединен расширитель, полностью заполнен маслом по трубопроводу.

Сапун

Сапун представляет собой цилиндрический контейнер, наполненный силикагелем, который используется для обезвоживания воздуха, поступающего в резервуар. Это связано с тем, что изоляционное масло при реакции с влагой может повредить изоляцию и вызвать внутренние неисправности, поэтому необходимо не допускать попадания влаги в воздух. В бризере, когда воздух проходит через силикагель, влага поглощается кристаллами кремнезема.

Устройство РПН

Для балансировки колебаний напряжения внутри трансформатора используются переключатели ответвлений. Существует два типа переключателей ответвлений – под нагрузкой и без нагрузки. В переключателях ответвлений под нагрузкой отвод может быть изменен без отключения трансформатора от источника питания, а в режиме без нагрузки трансформатор необходимо отключить от источника питания.

Охлаждающие трубки

Как следует из названия, охлаждающие трубки используются для охлаждения трансформаторного масла. Циркуляция масла внутри трансформатора может быть естественной или принудительной. В случае естественной циркуляции, когда температура масла повышается, горячее масло естественным образом движется вверх, а холодное – вниз, а в случае принудительной циркуляции используется вечный насос.

Реле Бухгольца

Реле Бухгольца, расположенное над соединительной трубой, идущей от основного бака к расширительному баку, определяет неисправности, возникающие внутри трансформатора. Работает на газах, выделяющихся при разложении трансформаторного масла при внутренних неисправностях. Таким образом, это устройство используется для обнаружения и, в свою очередь, защиты трансформатора от внутренних неисправностей.

Взрывоотвод

Кипящее горячее масло из трансформатора выбрасывается во время внутренних неисправностей через взрывоотвод во избежание взрыва трансформатора. Как правило, его размещают выше уровня резервуара консерватории.

Понимание всех этих частей трансформатора поможет вам лучше понять трансформаторы и их функции. Имея широкий выбор доступных трансформаторов, вам нужно знать, какой тип трансформатора наиболее подходит для вас. Тем не менее, для любого вида покупки трансформатора вы можете связаться с Miracle Electronics, которая производит лучшие в своем классе силовые трансформаторы в Индии за последние 20 лет и успешно поставляет свою продукцию в более чем 20 стран по всему миру. глобус.

Трансформатор — Энциклопедия Нового Света

Трехфазный понижающий трансформатор на мачте.

Трансформатор представляет собой устройство, которое передает электрическую энергию от одной цепи к другой с помощью магнитной связи, не требуя относительного движения между его частями. Обычно он состоит из двух или более связанных обмоток и, в большинстве случаев, сердечника для концентрации магнитного потока.

Переменное напряжение, приложенное к одной обмотке, создает изменяющийся во времени магнитный поток в сердечнике, который индуцирует напряжение в других обмотках. Изменение относительного числа витков между первичной и вторичной обмотками определяет соотношение входного и выходного напряжений, таким образом, преобразование напряжения путем его повышения или понижения между цепями.

Принцип действия трансформатора был продемонстрирован в 1831 году Фарадеем, хотя практические разработки появились только в 1880-х годах. ^[1] Менее чем за десятилетие трансформатор сыграл важную роль во время «Войны токов», когда системы переменного тока одержали победу над своими аналогами постоянного тока, положение, в котором они оставались доминирующими. С тех пор трансформатор сформировал отрасль электроснабжения, позволив экономичную передачу энергии на большие расстояния. Почти вся электроэнергия в мире проходит через серию трансформаторов к тому времени, когда она достигает потребителя.

Содержание

• 1 История
• 2 Основные принципы
  • 2.1 Связь за счет взаимной индукции
  • 2.2 Под нагрузкой
• 3 Практические соображения
  • 3.1 Утечка флюса
  • 3.2 Влияние частоты
    • 3.2.1 Универсальное уравнение ЭДС трансформатора
  • 3.3 Потери энергии
• 4 Эквивалентная схема
• 5 Типы трансформаторов и применение
• 6 Строительство
  • 6.1 Сердечники
    • 6.1.1 Стальные сердечники
    • 6.1.2 Сплошные сердечники
    • 6.1.3 Воздушные сердечники
    • 6.1.4 Тороидальные сердечники
  • 6.2 Обмотки
  • 6.3 Изоляция обмотки
    • 6.3.1 Базовый уровень импульсной изоляции (BIL)
  • 6.4 Экранирование
  • 6.5 Охлаждающая жидкость
  • 6.6 Клеммы
  • 6.7 Корпус
• 7 См. также
• 8 Примечания
• 9 Ссылки
• 10 Внешние ссылки
• 11 кредитов

Среди простейших электрических машин трансформатор также является одним из самых эффективных, ^[2] с большими блоками, достигающими производительности более 99,75 процентов. ^[3] Трансформаторы бывают разных размеров: от соединительного трансформатора размером с ноготь, спрятанного внутри сценического микрофона, до огромных блоков мощностью гига ВА, используемых для соединения частей национальных энергосистем. Все они работают по одним и тем же основным принципам и имеют много общего в своих частях, хотя существуют различные конструкции трансформаторов для выполнения специализированных функций в домашних условиях и в промышленности.

История

Майкл Фарадей построил первый трансформатор в 1831 году, хотя использовал его только для демонстрации принципа электромагнитной индукции и не предвидел его практического применения. ^[1] Русский инженер Павел Яблочков в 1876 году изобрел систему освещения на основе набора индукционных катушек, где первичные обмотки подключались к источнику переменного тока, а вторичные обмотки могли быть подключены к нескольким «электрическим свечам». В патенте утверждалось, что система может «обеспечивать раздельное питание нескольких осветительных приборов с разной силой света от одного источника электроэнергии». Очевидно, что индукционная катушка в этой системе работала как трансформатор.

Люсьен Голар и Джон Диксон Гиббс, которые впервые продемонстрировали устройство с открытым железным сердечником под названием «вторичный генератор» в Лондоне в 1882 году ^[4] , а затем продали идею американской компании Westinghouse. Возможно, это был первый практический силовой трансформатор. Они также представили изобретение в Турине в 1884 году, где оно было использовано для системы электрического освещения.

Исторический трансформер Stanley.

Уильям Стэнли, инженер Westinghouse, построил первое коммерческое устройство в 1885 году после того, как Джордж Вестингауз купил патенты Голара и Гиббса. Сердечник был сделан из соединенных между собой железных пластин Е-образной формы. Эта конструкция была впервые использована в коммерческих целях в 1886 году.0219 [1] Венгерские инженеры Зиперновски, Блати и Дери из компании Ganz в Будапеште в 1885 году создали эффективную модель с закрытым сердечником ZBD на основе конструкции Голара и Гиббса. В их патентной заявке впервые используется слово «трансформатор». ^[4] Русский инженер Михаил Доливо-Добровольский разработал первый трехфазный трансформатор в 1889 году. В 1891 году Никола Тесла изобрел катушку Тесла, резонансный трансформатор с воздушным сердечником и двойной настройкой для генерации очень высокого напряжения на высокой частоте.

Преобразователи звуковой частоты (в то время называемые повторяющимися катушками) использовались самыми ранними экспериментаторами при разработке телефона. Хотя новые технологии сделали трансформаторы в некоторых приложениях электроники устаревшими, трансформаторы все еще используются во многих электронных устройствах. Трансформаторы необходимы для передачи электроэнергии высокого напряжения, что делает передачу на большие расстояния экономически целесообразной. Это преимущество было основным фактором при выборе передачи энергии переменного тока в «Войне токов» в конце 1880-х годов. ^[1] Многие другие имеют патенты на трансформаторы.

Основные принципы

Связь посредством взаимной индукции

Идеальный понижающий трансформатор, показывающий магнитный поток в сердечнике

Принцип работы трансформатора проиллюстрирован рассмотрением гипотетического идеального трансформатора, состоящего из двух обмоток нулевого сопротивления вокруг сердечника незначительного нежелания. ^[5] Напряжение, подаваемое на первичную обмотку, вызывает ток, который создает магнитодвижущую силу (МДС) в сердечнике. Ток, необходимый для создания МДС, называется током намагничивания; в идеальном трансформаторе считается незначительным. MMF управляет потоком вокруг магнитной цепи сердечника. ^[5]

В каждой обмотке индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), эффект, известный как взаимная индуктивность. ^[6] Обмотки в идеальном трансформаторе не имеют сопротивления, поэтому ЭДС по величине равны измеренным напряжениям на клеммах. В соответствии с законом индукции Фарадея они пропорциональны скорости изменения потока:

vP = NPdΦPdt {\ displaystyle {v_ {P}} = {N_ {P}} {\ frac {d \ Phi _ {P}} {dt}}}     и     vS = NSdΦSdt {\ displaystyle {v_ {S }}={N_{S}}{\frac {d\Phi _{S}}{dt}}}

где:

• vP{\displaystyle v_{P}\,\!} и vS{\displaystyle v_{S}\,\!} — ЭДС индукции в первичной и вторичной обмотках,
• NP{\displaystyle N_{P}\,\!} и NS{\displaystyle N_{S}\,\!} — количество витков в первичной и вторичной обмотках,
• dΦPdt {\ displaystyle {\ tfrac {d \ Phi _ {P}} {dt}} \, \!} и dΦ Sdt {\ displaystyle {\ tfrac {d \ Phi _ {S}} {dt}} \, \ !} — производные по времени от потока, соединяющего первичную и вторичную обмотки.

В идеальном трансформаторе весь поток, создаваемый первичной обмоткой, также связывает вторичную обмотку, ^[7] и, следовательно, ΦP = ΦS {\ displaystyle \ Phi _ {P} = \ Phi _ {S} \,}, из которого следует известное уравнение трансформатора:

vPvS = NPNS {\ displaystyle {\ frac {v_ {P}} {v_ {S}}} = {\ frac {N_ {P}} {N_ {S}}} \, \!}

Таким образом, отношение первичного напряжения к вторичному такое же, как отношение числа витков; ^[5] в качестве альтернативы, что напряжение на виток одинаково в обеих обмотках.

Под нагрузкой

Идеальный трансформатор в качестве элемента цепи

Если сопротивление нагрузки подключено к вторичной обмотке, во вторичной цепи будет протекать ток. Ток создает МДС во вторичной обмотке, противоположную таковой в первичной обмотке, таким образом действуя на нейтрализацию потока в сердечнике. ^[7] Теперь уменьшенный поток уменьшает первичную ЭДС, заставляя ток в первичной цепи увеличиваться, чтобы точно компенсировать эффект вторичной МДС, и возвращая поток к его прежнему значению. ^[8] Таким образом, поток в сердечнике остается неизменным независимо от вторичного тока при условии, что первичное напряжение поддерживается. ^[7] Таким образом, электрическая энергия, подаваемая в первичную цепь, передается во вторичную цепь.

Первичная и вторичная МДС отличаются только величиной незначительного тока намагничивания и могут быть приравнены, и поэтому: iPNP=iSNS{\displaystyle {i_{P}}{N_{P}}={i_{S}} {N_{S}}\!}, из которого возникает соотношение токов трансформатора: 9{2}\!\!}.

Практические соображения

Утечка потока

Утечка потока в двухобмоточном трансформаторе

Модель идеального трансформатора предполагает, что весь поток, создаваемый первичной обмоткой, связывает все витки каждой обмотки, включая ее саму. На практике некоторые потоки проходят пути, выходящие за пределы обмоток. Такой поток называется потоком рассеяния и проявляет себя как самоиндукция последовательно с взаимно связанными обмотками трансформатора. ^[9] Утечка сама по себе не является прямым источником потери мощности, но приводит к ухудшению регулирования напряжения, в результате чего вторичное напряжение не может быть прямо пропорционально первичному, особенно при большой нагрузке. ^[9] Поэтому распределительные трансформаторы обычно имеют очень низкую индуктивность рассеяния.

Однако в некоторых приложениях утечка может быть желательным свойством, и длинные магнитные пути, воздушные зазоры или магнитные обходные шунты могут быть преднамеренно введены в конструкцию трансформатора для ограничения тока короткого замыкания, который он будет подавать. Негерметичные трансформаторы могут использоваться для питания нагрузок с отрицательным сопротивлением, таких как электрические дуги, ртутные лампы и неоновые вывески; или для безопасного обращения с нагрузками, которые периодически подвергаются короткому замыканию, такими как электродуговые сварочные аппараты. Воздушные зазоры также используются для предотвращения насыщения трансформатора, особенно трансформаторов звуковой частоты, в которые добавлен компонент постоянного тока.

Влияние частоты

Производная по времени в законе Фарадея подразумевает, что поток в сердечнике является интегралом приложенного напряжения. Идеальный трансформатор, по крайней мере гипотетически, должен работать при возбуждении постоянным током, при этом поток в сердечнике линейно увеличивается со временем. На практике поток очень быстро возрастал бы до точки, в которой происходило бы магнитное насыщение сердечника, и трансформатор переставал бы функционировать как таковой. Поэтому все практические трансформаторы должны работать в условиях переменного (или импульсного) тока.

Универсальное уравнение ЭДС трансформатора

Если поток в сердечнике синусоидальный, соотношение для любой обмотки между ее среднеквадратичной ЭДС E и частотой питания f , количеством витков N , площадью поперечного сечения сердечника a и пиковая плотность магнитного потока B определяется универсальным уравнением ЭДС: {2}}}\!=4.44fNaB}

ЭДС трансформатора при заданной плотности потока увеличивается с частотой, эффект определяется универсальным уравнением ЭДС трансформатора. ^[5] Работая на более высоких частотах, трансформаторы могут быть физически более компактными, не достигая насыщения, и данный сердечник способен передавать большую мощность. Однако эффективность ухудшается с такими свойствами, как потери в сердечнике и поверхностный эффект проводника, которые также увеличиваются с увеличением частоты. В самолетах и ​​военной технике традиционно используются источники питания с частотой 400 Гц, поскольку снижение эффективности более чем компенсируется уменьшением веса сердечника и обмотки.

Как правило, работа трансформатора при расчетном напряжении, но при более высокой частоте, чем предполагалось, приводит к уменьшению тока намагничивания. При частоте ниже расчетной при номинальном напряжении ток намагничивания может возрасти до чрезмерного уровня. Работа трансформатора на частоте, отличной от расчетной, может потребовать оценки напряжений, потерь и охлаждения, чтобы установить, является ли безопасная эксплуатация практичной. Например, может потребоваться оснащение трансформаторов реле перевозбуждения «вольт на герц» для защиты трансформатора от перенапряжения при частоте выше номинальной.

Потери энергии

Идеальный трансформатор не имеет потерь энергии и, следовательно, имеет 100-процентный КПД. Несмотря на то, что трансформатор является одним из самых эффективных электрических машин, в экспериментальных моделях, использующих сверхпроводящие обмотки, КПД которых составляет 99,85%, энергия рассеивается в обмотках, сердечнике и окружающих конструкциях. Большие трансформаторы, как правило, более эффективны, а трансформаторы, предназначенные для распределения электроэнергии, обычно работают лучше, чем 9.5 процентов. ^[11] Небольшой трансформатор, такой как сменный «блок питания», используемый для маломощных [[потребительских электроника]] может быть менее 85 процентов эффективности.

Потери в трансформаторе связаны с несколькими причинами и могут различаться между потерями в обмотках, иногда называемыми потерями в меди, , и потерями в магнитной цепи, иногда называемыми потерями в стали, Потери зависят от тока нагрузки и кроме того, могут быть выражены как потери «без нагрузки» или «полной нагрузки» или при промежуточной нагрузке. Сопротивление обмотки преобладает над потерями нагрузки, тогда как потери на гистерезис и вихревые токи составляют более 99 процентов потерь холостого хода.

Потери в трансформаторе возникают из-за:

Сопротивление обмотки

Ток, протекающий по обмоткам, вызывает резистивный нагрев проводников. На более высоких частотах скин-эффект и эффект близости создают дополнительное сопротивление обмотки и потери.

Вихревые токи

Ферромагнитные материалы также являются хорошими проводниками, и сплошной сердечник из такого материала также представляет собой одиночный короткозамкнутый виток на всей своей длине. Таким образом, индуцированные вихревые токи циркулируют внутри сердечника в плоскости, перпендикулярной потоку, и вызывают резистивный нагрев материала сердечника.

Гистерезисные потери

Каждый раз, когда магнитное поле меняется на обратное, небольшое количество энергии теряется из-за гистерезиса внутри магнитного сердечника, количество которого зависит от конкретного материала сердечника.

Магнитострикционный

Магнитный поток в ядре заставляет его физически расширяться и слегка сжиматься под действием переменного магнитного поля — эффект, известный как магнитострикция. Это производит знакомый жужжащий звук и, в свою очередь, приводит к потерям из-за фрикционного нагрева в восприимчивых сердечниках.

Механические потери

В дополнение к магнитострикции переменное магнитное поле вызывает колебания электромагнитных сил между первичной и вторичной обмотками. Они вызывают вибрации в ближайших металлоконструкциях, усиливая жужжание и потребляя небольшое количество энергии.

Случайные потери

Не все магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой, перехватывается вторичной обмоткой. Часть потока рассеяния может индуцировать вихревые токи в близлежащих проводящих объектах, таких как опорная конструкция трансформатора, и преобразовываться в тепло.

Система охлаждения

Крупные силовые трансформаторы могут быть оснащены охлаждающими вентиляторами, масляными насосами или теплообменниками с водяным охлаждением, предназначенными для отвода тепла. Мощность, используемая для работы системы охлаждения, обычно считается частью потерь трансформатора.

Эквивалентная схема

Физические ограничения практического трансформатора могут быть объединены в модель эквивалентной схемы, построенной вокруг идеального трансформатора без потерь. ^[12] Потери мощности в обмотках зависят от тока и легко представлены в виде последовательно включенных сопротивлений R _P и R _S . Утечка потока приводит к падению части приложенного напряжения, не внося вклада во взаимную связь, и поэтому может быть смоделирована как самоиндукции X _P и X _S последовательно с идеально связанной областью. Потери в стали вызваны в основном эффектами гистерезиса и вихревых токов в сердечнике и, как правило, пропорциональны квадрату потока сердечника для работы на заданной частоте. ^[13] Поскольку поток в сердечнике пропорционален приложенному напряжению, потери в железе могут быть представлены сопротивлением R _C параллельно с идеальным трансформатором.

Сердечник с конечной магнитной проницаемостью требует тока намагничивания I _M для поддержания взаимного потока в сердечнике. Ток намагничивания совпадает по фазе с потоком; эффекты насыщения делают связь между ними нелинейной, но для простоты этот эффект обычно игнорируется в большинстве эквивалентов схем. ^[13] При синусоидальном питании поток в сердечнике отстает от ЭДС индукции на 90°, и этот эффект можно смоделировать как реактивное сопротивление намагничивания X _M параллельно с составляющей потерь в сердечнике. R _C и X _M иногда вместе называются намагничивающей ветвью модели . Если вторичная обмотка разомкнута, ток, потребляемый намагничивающей ветвью, представляет собой ток холостого хода трансформатора. 9{2}\!\!}.

Полученную модель иногда называют «точной эквивалентной схемой», хотя она сохраняет ряд приближений, таких как предположение о линейности. ^[12] Анализ можно упростить, переместив ветвь намагничивания влево от первичного импеданса, неявно предполагая, что ток намагничивания низкий, а затем просуммировав первичный и приведенный вторичный импедансы.

Типы трансформаторов и их применение

Для выполнения определенных технических задач было создано множество специальных конструкций трансформаторов. Многочисленные приложения, к которым адаптированы трансформаторы, приводят к тому, что их можно классифицировать по-разному:

• По уровню мощности : от долей вольт-ампер (ВА) до более тысячи МВА;
• По диапазону частот : мощность, аудио или радиочастота;
• По классу напряжения : от нескольких вольт до сотен киловольт;
• По типу охлаждения : с воздушным охлаждением, маслонаполненным, с вентиляторным или водяным охлаждением;
• По прикладной функции : например, источник питания, согласование импеданса или изоляция цепи;
• По конечному назначению : распределитель, выпрямитель, дуговая печь, выход усилителя;
• По соотношению витков обмотки : повышающие, понижающие, изолирующие (почти равное соотношение), переменные.

Конструкция

Сердечники

Трансформатор с многослойным сердечником, демонстрирующий края пластин в верхней части блока.

Стальные сердечники

Трансформаторы для использования на силовых или звуковых частотах обычно имеют сердечники из кремнистой стали с высокой проницаемостью. ^[14] Концентрируя магнитный поток, большая его часть полезно связывает как первичную, так и вторичную обмотки, и ток намагничивания значительно уменьшается. Ранние разработчики трансформаторов вскоре поняли, что сердечники, изготовленные из твердого железа, приводят к непомерно высоким потерям на вихревые токи, и их конструкции смягчили этот эффект с помощью сердечников, состоящих из пучков изолированных железных проводов. ^[4] В более поздних конструкциях сердечник был построен путем укладки слоев тонких стальных пластин, принцип, который все еще используется. Каждая пластина изолирована от соседей слоем непроводящей краски. Универсальное уравнение трансформатора указывает минимальную площадь поперечного сечения сердечника, чтобы избежать насыщения.

Эффект расслоения заключается в ограничении вихревых токов высокоэллиптическими путями, которые охватывают небольшой поток, и, таким образом, уменьшают их величину. Более тонкие пластины снижают потери, ^[14] , но их изготовление более трудоемко и дорого. ^[15] Тонкие пластины обычно используются в высокочастотных трансформаторах, при этом некоторые типы очень тонких стальных пластин могут работать на частотах до 10 кГц.

Конструкция сердечника E-I, обмотки опущены

Одна из распространенных конструкций многослойного сердечника состоит из чередующихся пакетов E-образных стальных листов, покрытых I-образными деталями, что привело к его названию «трансформатор E-I». ^[15] Тип с разрезным сердечником или С-образным сердечником изготавливается путем намотки стальной полосы вокруг прямоугольной формы с последующим соединением слоев вместе. Затем он разрезается на две части, образуя две формы C, и сердечник собирается путем связывания двух половинок C стальной лентой. ^[15] Их преимущество заключается в том, что флюс всегда направлен параллельно зернам металла, что снижает магнитное сопротивление.

Остаточная намагниченность стального сердечника означает, что он сохраняет статическое магнитное поле при отключении питания. Когда затем снова подается питание, остаточное поле будет вызывать высокий пусковой ток до тех пор, пока эффект остаточного магнетизма не уменьшится, обычно после нескольких циклов приложенного переменного тока. Устройства защиты от перегрузки по току, такие как плавкие предохранители, должны быть выбраны таким образом, чтобы этот безвредный пусковой ток мог пройти. На трансформаторах, подключенных к протяженным воздушным линиям электропередачи, наведенные токи из-за геомагнитных возмущений во время солнечных бурь могут вызвать насыщение сердечника, ложное срабатывание устройств защиты трансформатора.

Распределительные трансформаторы могут обеспечить низкие потери без нагрузки за счет использования сердечников, изготовленных из кремнистой стали с низкими потерями и высокой проницаемостью и аморфной (некристаллической) стали, так называемых «металлических стекол». Высокая начальная стоимость материала сердечника компенсируется в течение срока службы трансформатора более низкими потерями при малой нагрузке.

Твердые сердечники

Сердечники из порошкового железа используются в цепях (таких как импульсные источники питания), которые работают на частотах выше частоты сети и до нескольких десятков килогерц. Эти материалы сочетают в себе высокую магнитную проницаемость с высоким удельным электрическим сопротивлением. Для частот, выходящих за пределы диапазона VHF, обычно используются сердечники из непроводящих магнитных керамических материалов, называемых ферритами. ^[15] Некоторые радиочастотные трансформаторы также имеют подвижные сердечники (иногда называемые «слагами»), которые позволяют регулировать коэффициент связи (и полосу пропускания) настроенных радиочастотных цепей.

Воздушные сердечники

В высокочастотных трансформаторах также могут использоваться воздушные сердечники. Это устраняет потери из-за гистерезиса в материале сердечника. Такие трансформаторы обеспечивают высокую эффективность связи (низкие потери поля рассеяния) за счет перекрытия первичной и вторичной обмоток.

Тороидальные сердечники

Различные трансформаторы. Верхний правый тороидальный. Внизу справа от настенного источника питания 12 В переменного тока.

Тороидальные трансформаторы строятся вокруг кольцеобразного сердечника, который изготавливается из длинной полосы кремнистой стали или пермаллоя, намотанной в катушку, из порошкового железа или феррита, в зависимости от рабочей частоты. Полосовая конструкция обеспечивает оптимальное выравнивание границ зерен, повышая эффективность трансформатора за счет снижения сопротивления сердечника. Замкнутая кольцевая форма устраняет воздушные зазоры, присущие конструкции сердечника E-I. Сечение кольца обычно квадратное или прямоугольное, но доступны и более дорогие сердечники с круглым сечением. Первичная и вторичная обмотки часто наматываются концентрически, чтобы покрыть всю поверхность сердечника. Это сводит к минимуму необходимую длину провода, а также обеспечивает экранирование, чтобы свести к минимуму магнитное поле сердечника от создания электромагнитных помех.

Ферритовые тороидальные сердечники используются на более высоких частотах, обычно от нескольких десятков килогерц до мегагерц, для уменьшения потерь, физических размеров и веса импульсных источников питания.

Тороидальные трансформаторы более эффективны, чем более дешевые ламинированные типы E-I аналогичного уровня мощности. Другие преимущества по сравнению с типами EI включают меньший размер (примерно вдвое), меньший вес (примерно вдвое), меньший механический шум (что делает их лучшими в аудиоусилителях), меньшее внешнее магнитное поле (примерно одна десятая), низкие потери без нагрузки. (что делает их более эффективными в резервных цепях), крепление одним болтом и более широкий выбор форм. Этот последний пункт означает, что для данной выходной мощности можно выбрать либо широкий плоский тороид, либо высокий узкий тороид с такими же электрическими свойствами, в зависимости от доступного места. Основными недостатками являются более высокая стоимость и ограниченный размер.

Недостатком конструкции тороидального трансформатора является более высокая стоимость обмоток. Как следствие, тороидальные трансформаторы редко встречаются на номинальных мощностях выше нескольких кВА. Небольшие распределительные трансформаторы могут получить некоторые преимущества тороидального сердечника, разделив его и принудительно разомкнув, а затем вставив катушку, содержащую первичную и вторичную обмотки.

При установке тороидального трансформатора важно избегать непреднамеренного короткого замыкания через сердечник. Это может произойти, если стальной крепежный болт в середине сердечника касается металлических конструкций с обоих концов, образуя петлю из проводящего материала, которая проходит через отверстие в тороиде. Такая петля может привести к протеканию в болте опасно большого тока.

Обмотки

Символы цепи

	Трансформатор с двумя обмотками и железным сердечником.
	Понижающий или повышающий трансформатор. Символ показывает, какая обмотка имеет больше витков, но обычно не точное соотношение.
	Трансформатор с тремя обмотками. Точки показывают относительную конфигурацию обмоток.
	Трансформатор с электростатическим экраном, предотвращающим емкостную связь между обмотками.

Проводящий материал, используемый для обмоток, зависит от области применения, но во всех случаях отдельные витки должны быть электрически изолированы друг от друга и от других обмоток. ^[16] Для малых силовых и сигнальных трансформаторов катушки часто наматываются из эмалированного магнитопровода, такого как формваровый провод. Более крупные силовые трансформаторы, работающие при высоком напряжении, могут иметь проволочные, медные или алюминиевые прямоугольные проводники с изоляцией из пропитанной маслом бумаги. ^[17] Ленточные проводники используются для очень больших токов. Высокочастотные трансформаторы, работающие в диапазоне от десятков до сотен килогерц, будут иметь обмотки из литцендрата, чтобы свести к минимуму потери в проводниках из-за скин-эффекта. ^[16] Большие силовые трансформаторы также используют многожильные проводники, так как даже при низких частотах мощности в сильноточных обмотках будет существовать неравномерное распределение тока. ^[17] Каждая жила имеет индивидуальную изоляцию, и жилы расположены таким образом, что в определенных точках обмотки или по всей обмотке каждая часть занимает различные относительные положения в проводнике в целом. Такое перемещение выравнивает ток, протекающий в каждой жиле проводника, и снижает потери на вихревые токи в самой обмотке. Многожильный проводник также более гибкий, чем одножильный проводник аналогичного размера, что упрощает производство. ^[17]

Для сигнальных трансформаторов обмотки могут быть расположены таким образом, чтобы минимизировать индуктивность рассеяния и паразитную емкость для улучшения высокочастотной характеристики. Это можно сделать, разделив каждую катушку на секции, и эти секции расположить слоями между секциями другой обмотки. Это известно как многослойная или чередующаяся обмотка.

Как первичная, так и вторичная обмотки силовых трансформаторов могут иметь внешние соединения, называемые ответвлениями, с промежуточными точками на обмотке, чтобы можно было выбрать отношение напряжения. Отводы могут быть подключены к автоматическому переключателю ответвлений под нагрузкой для регулирования напряжения распределительных цепей. Преобразователи звуковой частоты, используемые для передачи звука на громкоговорители для громкой связи, имеют отводы, позволяющие регулировать импеданс каждого динамика. Трансформатор с отводом от середины часто используется в выходном каскаде усилителя мощности звука в двухтактной схеме. Трансформаторы модуляции в АМ-передатчиках очень похожи.

Изоляция обмотки

Витки обмоток должны быть изолированы друг от друга, чтобы обеспечить прохождение тока через всю обмотку. Разность потенциалов между соседними витками обычно невелика, поэтому для небольших силовых трансформаторов может быть достаточно эмалевой изоляции. Между слоями обмотки в больших трансформаторах обычно используется дополнительная листовая или ленточная изоляция.

Трансформатор также может быть погружен в трансформаторное масло, которое обеспечивает дополнительную изоляцию. Хотя масло в основном используется для охлаждения трансформатора, оно также помогает уменьшить образование коронного разряда в высоковольтных трансформаторах. При охлаждении обмоток изоляция не так легко разрушается из-за нагрева. Чтобы изолирующие свойства трансформаторного масла не ухудшались, корпус трансформатора полностью герметизируется от проникновения влаги. Таким образом, масло служит как охлаждающей средой для отвода тепла от сердечника и катушки, так и частью системы изоляции.

Обмотки некоторых силовых трансформаторов защищены эпоксидной смолой. При пропитке трансформатора эпоксидной смолой под вакуумом воздушные пространства внутри обмоток заменяются эпоксидной смолой, тем самым герметизируя обмотки и помогая предотвратить возможное образование коронного разряда и поглощение грязи или воды. Это позволяет производить трансформаторы, подходящие для влажной или грязной среды, но с более высокими производственными затратами.

Базовый уровень импульсной изоляции (BIL)

Наружные электрические распределительные системы подвержены ударам молнии. Даже если молния ударит в линию на некотором расстоянии от трансформатора, скачки напряжения могут пройти по линии и попасть в трансформатор. Выключатели высокого напряжения и автоматические выключатели также могут создавать аналогичные скачки напряжения при их размыкании и замыкании. Оба типа перенапряжений имеют крутые волновые фронты и могут нанести серьезный ущерб электрическому оборудованию. Чтобы свести к минимуму последствия этих перенапряжений, электрическая система защищена молниезащитными разрядниками, но они не полностью исключают попадание перенапряжения на трансформатор. Базовый импульсный уровень (BIL) трансформатора измеряет его способность выдерживать эти выбросы. Все трансформаторы на 600 вольт и ниже имеют номинал 10 кВ BIL. Трансформаторы на 2400 и 4160 вольт имеют номинал 25 кВ BIL.

Экранирование

Если трансформаторы предназначены для обеспечения минимальной электростатической связи между первичной и вторичной цепями, между обмотками может быть размещен электростатический экран для уменьшения емкости между первичной и вторичной обмотками. Экран может состоять из одного слоя металлической фольги, изолированного в местах нахлеста, чтобы он не действовал как короткозамкнутый виток, или из однослойной обмотки между первичной и вторичной обмотками. Экран соединен с заземлением.

Трансформаторы также могут быть закрыты магнитными экранами, электростатическими экранами или и тем, и другим для предотвращения воздействия внешних помех на работу трансформатора или для предотвращения влияния трансформатора на работу близлежащих устройств, которые могут быть чувствительны к полям рассеяния, таким как ЭЛТ .

Охлаждающая жидкость

Трехфазный сухой трансформатор со снятой крышкой; номинальная мощность около 200 кВА, 480 В.

Небольшие сигнальные трансформаторы не выделяют значительного количества тепла. Силовые трансформаторы мощностью до нескольких киловатт используют естественное конвективное воздушное охлаждение. Особое внимание должно быть уделено охлаждению мощных трансформаторов. Трансформаторы с более высокой мощностью или с большим рабочим циклом могут охлаждаться вентилятором.

Некоторые сухие трансформаторы заключены в баки под давлением и охлаждаются газообразным азотом или гексафторидом серы.

Обмотки мощных или высоковольтных трансформаторов погружают в трансформаторное масло — минеральное масло высокой степени очистки, стабильное при высоких температурах. В больших трансформаторах, предназначенных для использования в помещении, должна использоваться негорючая жидкость. Раньше использовался полихлорированный дифенил (ПХБ), поскольку он не представлял опасности возгорания в силовых трансформаторах, используемых внутри помещений, и обладал высокой стабильностью. Из-за стабильности и токсического воздействия побочных продуктов ПХД, а также их накопления в окружающей среде их использование в новом оборудовании больше не допускается. Старые трансформаторы, которые все еще содержат ПХБ, следует еженедельно проверять на наличие утечек. Если обнаружена утечка, его следует заменить и профессионально обеззаразить или утилизировать экологически безопасным способом. Сегодня нетоксичные, стабильные масла на основе силикона или фторированные углеводороды могут использоваться там, где стоимость огнестойкой жидкости компенсирует дополнительные затраты на строительство трансформаторного подвала. Можно использовать и другие менее воспламеняющиеся жидкости, такие как масло канолы, но все огнестойкие жидкости имеют некоторые недостатки в отношении характеристик, стоимости или токсичности по сравнению с минеральным маслом.

Масло охлаждает трансформатор и обеспечивает часть электрической изоляции между внутренними токоведущими частями. Он должен быть стабильным при высоких температурах, чтобы небольшое короткое замыкание или дуга не привели к поломке или возгоранию. Маслонаполненный бак может иметь радиаторы, по которым масло циркулирует за счет естественной конвекции. Очень большие или мощные трансформаторы (мощностью в миллионы ватт) могут иметь охлаждающие вентиляторы, масляные насосы и даже масляно-водяные теплообменники. Масляные трансформаторы подвергаются длительным процессам сушки с использованием теплопередачи в паровой фазе, электрического самонагрева, применения вакуума или их комбинации, чтобы гарантировать, что трансформатор полностью свободен от водяного пара до подачи охлаждающего масла. Это помогает предотвратить электрический пробой под нагрузкой.

Масляные силовые трансформаторы могут быть оборудованы реле Бухгольца, которые представляют собой предохранительные устройства, обнаруживающие скопление газа внутри трансформатора (побочный эффект электрической дуги внутри обмоток) и, таким образом, отключающие трансформатор.

Экспериментальные силовые трансформаторы мощностью 2 МВА были построены со сверхпроводящими обмотками, что исключает потери в меди, но не потери в стали сердечника. Они охлаждаются жидким азотом или гелием.

Клеммы

Очень маленькие трансформаторы будут иметь проволочные выводы, подсоединенные непосредственно к концам катушек и выведенные к основанию блока для подключения цепи. Более крупные трансформаторы могут иметь клеммы с тяжелыми болтами, шины или высоковольтные изолированные втулки, изготовленные из полимеров или фарфора. Большой ввод может представлять собой сложную конструкцию, поскольку он должен обеспечивать электрическую изоляцию, не допуская утечки масла из трансформатора.

Корпус

Небольшие трансформаторы часто не имеют корпуса. Трансформаторы могут иметь защитный кожух, как описано выше. Блоки большего размера могут быть закрыты для предотвращения контакта с частями, находящимися под напряжением, и для удержания охлаждающей среды (масла или сжатого газа).

См. также

• Электричество
• Электромагнетизм
• Электротехника
• Магнетизм

Примечания

1. ↑ ^{1,0 1,1 1,2 1,3} J.W. Колтман, «Трансформатор» Scientific American 1 (январь 1988 г.): 86–95.
2. ↑ Уильям Фланаган. 1993. Справочник по конструкции и применению трансформаторов. (Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: McGraw-Hill. ISBN 0070212910).
3. ↑ ЭНЕРГИЯ. Возможности энергосбережения в ЕС за счет использования энергоэффективных распределительных трансформаторов 1999 г. [1]. Проверено 25 июня 2007 г.
4. ↑ ^{4.0 4. 1 4.2} Д.Дж. Аллан, «Силовые трансформаторы – второй век» Power Engineering Journal IEE (1991)
5. ↑ ^{5.0 5.1 5.2 5.3 5.4} М.Г. Сказать. 1983. Машины переменного тока, 5-е изд. (Лондон, Великобритания: Питман), 13-14.
6. ↑ Nave, CR HyperPhysics State University Georgia, 2005; Проверено 25 июня 2007 г.
7. ↑ ^{7.0 7.1 7.2 7.3} Уильям Фланаган. 1993. Справочник по конструкции и применению трансформаторов. (Нью-Йорк, Нью-Йорк: McGraw-Hill), 2
8. ↑ Джон Хиндмарш. 1977. Электрические машины и их применение, , 4-е изд. (Эксетер, Великобритания: Пергаммон), 142–143.
9. ↑ ^{9.0 9.1} Питер Макларен. 1984. Элементарная электроэнергетика и машины. (Западный Сассекс, Великобритания: Эллис Хорвуд), 68–74.
10. ↑ H. Riemersma, et al. 1981. Применение сверхпроводниковой технологии в силовых трансформаторах. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems PAS-100 (7): 3398-3407 [2] дата доступа 25 июня 2007 г.
11. ↑ Т. Кубо, Х. Сакс, С. Надель. 2001. Возможности для новых стандартов эффективности приборов и оборудования. Американский совет по энергоэффективной экономике [3], 39. дата обращения 25 июня 2007 г.
12. ↑ ^{12,0 12,1 12,2} А.Р. Daniels, 1985. Введение в электрические машины. (Лондон, Великобритания: Macmillan. ISBN 0333196279)
13. ↑ ^{13,0 13,1} М.Г. Сказать. 1983. Машины переменного тока, 5-е изд. . (Лондон, Великобритания: Питман), 142-143.
14. ↑ ^{14.0 14.1} Джон Хиндмарш. 1977. Электрические машины и их применение. (Сент-Луис, Миссури: Пергамон. ISBN 0080305733), 29-31.
15. ↑ ^{15.0 15.1 15.2 15.3} Полковник Уильям Маклайман. 2004. Справочник по проектированию трансформаторов и катушек индуктивности. (Варминстер, Пенсильвания: CRC. ISBN 0824753933), 3.9–3.14.
16. ↑ ^{16.0 16.1} Ллойд Диксон, Потери на вихревые токи в обмотках трансформаторов и проводке цепей. Техас Инструментс . Проверено 25 июня 2007 г.
17. ↑ ^{17.0 17.1 17.2} Центральный электроуправление. 1982. Практика современной электростанции. (Сент-Луис, Миссури: Пергамон. ISBN 0080164366).

Ссылки

Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов

• Центральное электрогенерирующее управление. 1982. Практика современной электростанции. Оксфорд, Великобритания: Пергамон. ISBN 0080164366.
• Дэниелс, А.Р. 1985. Введение в электрические машины | издатель. Южная Ярра, Виктория, Австралия: Macmillan. ISBN 0333196279.
• Фицджеральд, А. 1983. Электрические машины, 4-е изд. Колумбус, Огайо: McGraw-Hill. ISBN 0070211450.
• Фланаган, Уильям. 1993. Справочник по конструкции и применению трансформаторов. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: McGraw-Hill. ISBN 0070212910.
• Хиткот, MJ. 1998. J&P Transformer Book, , 12-е изд. Оксфод, Великобритания: Newnes. ISBN 0750611588.
• Hindmarsh, J. 1984. Электрические машины и их применение, , 4-е изд. Оксфорд, Великобритания: Пергамон. ISBN 0080305725.
• Макларен, Питер. 1984. Элементарная электроэнергетика и машины. Западный Сассекс, Великобритания: Эллис Хорвуд. ISBN 047020057X.
• Маклайман, полковник Уильям. 2004. Справочник по проектированию трансформаторов и катушек индуктивности. Уорминстер, Пенсильвания: CRC. ISBN 0824753933.
• Neal, JP 1960. Основы электротехники. Колумбус, Огайо: McGraw-Hill. АСИН B000BSOZ66. (Раздел 7-9 о взаимной индуктивности, 301).
• Сэй, М.Г. 1983. Машины переменного тока, 5-е изд. Лондон, Великобритания: Питман. ISBN 0273019694.
• Шеперд, Мортон Дж.