Ak-montazh.ru

Интернет-энциклопедия по ремонту
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Устройство и принцип работы однофазного трансформатора

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

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

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

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

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

Назначение трансформаторов

Разные виды трансформаторов используются практически во всех схемах питания электрических приборов и при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Электростанции вырабатывают ток относительно небольшого напряжения – 220, 380, 660В. Трансформаторы, повышая напряжение до значений порядка тысяч киловольт, позволяют существенно снизить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния, а заодно и уменьшить площадь сечения проводов ЛЭП.

Гигантский трансформатор

Непосредственно перед тем как попасть к потребителю (например, в обычную домашнюю розетку), ток проходит через понижающий трансформатор. Именно так мы получаем привычные нам 220 Вольт.

Самый распространенный вид трансформаторов – силовые трансформаторы. Они предназначены для преобразования напряжения в электрических цепях. Помимо силовых трансформаторов в различных электронных приборах применяются:

  • импульсные трансформаторы;
  • силовые трансформаторы;
  • трансформаторы тока.

Принцип работы трансформатора

Трансформаторы бывают однофазные и многофазные, с одной, двумя или большим количеством обмоток. Рассмотрим схему и принцип работы трансформатора на примере простейшего однофазного трансформатора.

Кстати, в других статьях можно почитать, что такое фаза и ноль в электричестве.

Из чего состоит трансформатор? Во простейшем случае из одного металлического сердечника и двух обмоток. Обмотки электрически не связаны одна с другой и представляют собой изолированные провода.

Одна обмотка (ее называют первичной) подключается к источнику переменного тока. Вторая обмотка, называемая вторичной, подключается к конечному потребителю тока.

Принцип устройства трансформатора

Когда трансформатор подключен к источнику переменного тока, в витках его первичной обмотки течет переменный ток величиной I1. При этом образуется магнитный поток Ф, который пронизывает обе обмотки и индуцирует в них ЭДС.

Бывает, что вторичная обмотка не находится под нагрузкой. Такой режимы работы трансформатора называется режимом холостого хода. Соответственно, если вторичная обмотка подключена к какому-либо потребителю, по ней течет ток I2, возникающий под действием ЭДС.

Величина ЭДС, возникающей в обмотках, напрямую зависит от числа витков каждой обмотки. Отношение ЭДС, индуцированных в первичной и вторичной обмотках, называется коэффициентом трансформации и равно отношению количества витков соответствующих обмоток.

назначение и принцип работы трансформатора

Путем подбора числа витков на обмотках можно увеличивать или уменьшать напряжение на потребителе тока с вторичной обмотки.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор – трансформатор, в котором отсутствуют потери энергии. В таком трансформаторе энергия тока в первичной обмотке полностью преобразуется сначала в энергию магнитного поля, а далее – в энергию вторичной обмотки.

Конечно, такого трансформатора не существует в природе. Тем не менее, в случае, когда теплопотерями можно пренебречь, в расчетах удобно пользоваться формулой для идеального трансформатора, согласно которой мощности тока в первичной и вторичной обмотках равны.

Трансформатор формула

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Потери энергии в трансформаторе

Коэффициент полезного действия трансформаторов достаточно высок. Тем не менее, в обмотке и сердечнике происходят потери энергии, приводящие к тому, что температура при работе трансформатора повышается. Для трансформаторов небольшой мощности это не представляет проблемы, и все тепло уходит в окружающую среду – используется естественное воздушное охлаждение. Такие трансформаторы называют сухими.

В более мощных трансформаторах воздушного охлаждения оказывается недостаточно, и применяется охлаждение маслом. В этом случае трансформатор помещается в бак с минеральным маслом, через которое тепло передается стенкам бака и рассеивается в окружающую среду. В трансформаторах высоких мощностей дополнительно применяются выхлопные трубы – если масло закипает, образовавшимся газам нужен выход.

Читайте так же:
Какой автоматический выключатель установить? АВВ B16 С или АВВ B 20 С?

Сухие трансформаторы серии ТСЛ

Конечно, трансформаторы не так просты, как может показаться на первый взгляд — ведь мы рассмотрели принцип действия трансформатора кратко. Контрольная по электротехнике с задачами на расчет трансформатора внезапно может стать настоящей проблемой. Специальный студенческий сервис всегда готов оказать помощь в решении любых проблем с учебой! Обращайтесь в Zaochnik и учитесь легко!

Назначение и принцип действия однофазного трансформатора

Однофазный трансформатор

В энергетической сфере деятельности используются первичные источники высокого переменного напряжения, однако в быту или на предприятиях необходимо значительно его снизить. Для этой цели применяются трансформаторы. Для полного понимания и грамотного применения напряжения в быту необходимо знать принцип действия однофазного трансформатора.

Общие сведения о трансформаторах

Значительно легче передавать переменный ток на большие расстояния, так как достигаются минимальные потери, связанные с величинами напряжения (U) и тока (I). Кроме того, для передачи не переменного, а постоянного I необходимо применять сложную электронику, которая основана на усилении параметров электричества. Основной частью этой технологии являются мощные транзисторы, которые требуют специального охлаждения, и главным критерием является цена. Использование трансформаторов, которые работают только от переменной величины тока, является оптимальным решением.

Назначение и устройство

Трансформатор (Т) — это специализированное электрическое устройство, которое работает только от переменного I и используется для преобразования значений входного U и I в необходимые значения этих величин, предусмотренных потребителем.

Как устроен однофазный трансформатор

Т является довольно примитивным устройством, однако в его конструкции есть некоторые особенности. Для понимания принципа действия однофазного трансформатора следует изучить его назначение и устройство. Устроен однофазный трансформатор следующим образом — он состоит из магнитопровода и обмоток.

Магнитопровод, или сердечник трансформатора, выполнен из ферромагнитного материала.

Ферромагнетики — это вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью. Это обусловлено тем, что атомы вещества обладают очень важными свойствами: постоянные спиновые и орбитальные моменты. Свойства ферромагнетиков зависят от температуры и действия магнитного поля. Для изготовления магнитопровода Т используются такие материалы: электротехническая сталь или пермаллой.

Электротехническая сталь содержит в своем составе большую массовую долю кремния (Si), которая под действием высокой температуры соединяется с атомами углерода ©. Этот тип используется во всех типах Т, независимо от мощности.

Однофазный трансформатор как работает

Пермаллой является сплавом, состоящим из никеля (Ni) и железа (Fe), и применяется только в маломощных трансформаторах.

Тип Т представляет собой катушки, состоящие из каркаса и провода, покрытого изоляционным материалом. Этот провод намотан на основание катушек, и количество витков зависит от параметров Т. Количество катушек может быть 2 и более, оно зависит от конструктивной особенности электрического устройства и определяется сферой применения.

Принцип действия

Принцип работы однофазного трансформатора довольно простой и основан на генерации электродвижущей силы (ЭДС) в обмотках проводника, который находится в движущемся магнитном поле и сгенерирован при помощи переменного I. При прохождении электричества по обмоткам первичной катушки создается магнитный поток (Ф), который пронизывает и вторичную катушку. Силовые линии Ф благодаря замкнутой конструкции магнитопровода имеют замкнутую структуру. Для получения оптимальной мощности Т необходимо располагать катушки обмоток на близком расстоянии относительно друг друга.

Однофазный трансформатор из чего состоит

Исходя из закона электромагнитной индукции происходит изменение Ф и индуцируется в первичной обмотке ЭДС. Эта величина называется ЭДС самоиндукции, а во вторичной — ЭДС взаимоиндукции.

При подключении потребителя к первичной обмотке Т в цепи появится электрическая энергия, которая передается из первичной обмотки через магнитопровод (катушки не связаны гальванически). В этом случае средством передачи электроэнергии служит только Ф. Трансформаторы по конструктивной особенности бывают различные. По достижению максимальной магнитной связи (МС) Т делятся на следующие типы:

  1. Сильная.
  2. Средняя.
  3. Слабая.

При слабой МС происходит значительная потеря энергии и Т такого типа практически не применяются. Основной особенностью таких Т являются незамкнутые сердечники.

Однофазный трансформатор для чего

Уровень средней МС достигается только при полностью замкнутом магнитопроводе. Одним из примеров такого Т является стержневой тип, у которого обмотки расположены на железных стержнях и соединены между собой накладками или ярмами. В результате такой конструкции получается полностью замкнутый сердечник.

Читайте так же:
Описание и устройство энергосберегающих ламп

Примером сильной МС является Т броневого типа, обмотки которого располагаются на одной или нескольких катушках. Эти обмотки расположены очень близко, благодаря чему и обеспечивается минимальная потеря электрической энергии. Магнитопровод полностью покрывает катушки, создавая более сильный Ф, который разбивается на 2 части. У трансформаторов такого типа потоки сцепления между обмотками практически равны.

Режимы работы

Т, как и любой вторичный источник питания, имеет определенные режимы работы. Режимы отличаются потреблением I. Существует 2 режима: холостого хода и нагрузки. При холостом ходе Т потребляет минимальное количество I, которое используется только на намагничивание и потери в обмотках на нагревание. Кроме того, происходит рассеивание магнитного поля. Ф создается I магнитодвижущей силы, которую генерирует первичная обмотка. В этом случае I холостого хода составляет 3−10% от номинального показателя (Iн).

Принцип действия однофазного трансформатора

При нагрузке во II обмотке появляется I, а значит — и магнитодвижущая сила (МДС). По закону Ленца: МДС II обмотки действует против МДС первичной обмотки. При этом ЭДС в первичной обмотке во время нагрузки Т равна U и прямо пропорциональна Ф. В этом случае получение k можно записать в виде: I1 / I2 = w2/w1 = 1/k.

Исходя из формул для расчета k, можно получить еще одно соотношение Т: e1 * I1 = e2 * I2 = 1.

Это соотношение показывает, что мощность, потребляемая первичной обмоткой, равна мощности, которую потребляет II обмотка при нагрузке. Мощность Т измеряется в вольт-амперах (ВА).

Основные параметры

Кроме того, следует отметить, что любой Т обладает некоторыми параметрами, которые и отличаются от других трансформаторов. К тому же, если понимать эти зависимости, то можно рассчитать и изготовить Т своими руками.

Связь между ЭДС, возникающей в обмотках Т, зависит от количества витков каждой из них. Исходя из того, что I и II обмотки пронизываются одним и тем же Ф, возможно вычислить следующее соотношение на основании общего закона индукции для мгновенных значений ЭДС:

Однофазный трансформатор купить

  1. Для первичной с количеством витков w1: e1 = — w1 * dФ/dt * E-8.
  2. Для вторичной с количеством витков w2: e2 = — w2 * dФ/dt * E-8.

Соотношение dФ/dt показывает величину изменения Ф за единицу времени. Значение потока Ф зависит от закона изменения переменного тока за единицу времени. Исходя из этих выражений получается следующая формула соотношения числа витков к ЭДС каждой обмотки:

Следовательно, можно сделать следующий вывод: индуцируемые в обмотках значения ЭДС также относятся к друг другу, как и число витков обмоток. Для более простой записи можно сопоставить значения e и U: e = U. Из этого следует, что e1 = U1 e2 = U2 и возможно получить еще одну величину, называемую коэффициентом трансформации (к): e1/e2 = U1/U2 = w1 / w2 = k. По коэффициенту трансформации Т делятся на понижающие и повышающие.

 однофазный трансформатор применение

Понижающим является Т, k которого меньше 1, и, соответственно, если к > 1, то он является повышающим. При отсутствии потерь в проводах обмоток и рассеивания Ф (они незначительны и ими можно пренебречь) вычислить основной параметр Т (k) достаточно просто. Для этого необходимо воспользоваться следующим простым алгоритмом нахождения k: найти соотношения U обмоток (если обмоток более 2, то соотношение нужно искать для всех обмоток).

Однако расчет k является только первым шагом для дальнейшего расчета или выявления неисправности на наличие короткозамкнутых витков.

Чтобы определить значения U, необходимо использовать 2 вольтметра, точность которых составляет около 0,2−0,5. Кроме того, для определения k существуют такие способы:

  1. По паспорту.
  2. Практически.
  3. Использование определенного моста (мост Шеринга).
  4. Прибором, предназначенным для этой цели (УИКТ).
Читайте так же:
Виды профнастила — как правильно выбрать в зависимости от типа крыши

Таким образом, принцип работы однофазного трансформатора основан на простом законе физики, а именно: если проводник с n количеством витков поместить в магнитное поле, причем это поле должно постоянно меняться с течением времени, то в витках будет генерироваться ЭДС. В этом случае справедливо и обратное утверждение: если в постоянное магнитное поле поместить проводник и осуществлять им движения, то в его обмотках начинает появляться ЭДС.

Как устроен однофазный трансформатор

Трансформаторами в электрике называют специальные электроустановки, которые передают переменный электрический ток из одной своей катушки к другой, которая не связана с первой электрическим способом. Сфера их применения крайне широка, поэтому следует разобраться, что это за прибор и каков принцип действия устройства однофазного трансформатора.

Что такое однофазный трансформатор

Электрическая установка, которая содержит две и более катушки, связанные индуктивно, называется трансформатором. Этот прибор способен преобразовывать электроток одной напряженности в переменный ток другой напряженности. На данный момент особой популярностью пользуются трехфазные и однофазные электротрансформаторы.

Схема простейшего однофазного трансформатора

Обычный однофазный прибор представляет собой замкнутый сердечник из ферромагнитного вещества, который обматывают первичной и вторичной катушками. Для снижения токов вихревого типа сердечник делают из тонких (пол-миллиметра) слоев специальной стали.

Обратите внимание! На схемах трансформаторов обычно применяют плюсовые направления всех значений, которые характеризуют процессы работы. Исходит это из того, что первичная катушка — это приемник энергии, а вторичная — источник.

Однофазный трансформатор NDK-50VA 230/24 IEC

Как работает однофазный трансформатор

Работа этого прибора заключается в следовании законам электромагнетизма. Во время подключения первой обмотки к питанию по ней начинает идти переменный ток, создающий в ферромагнитном сердечнике магнитные токи переменного знака. Когда этот поток замыкается в сердечнике, то он сцепляет первичную и вторичную катушки и производит в них электродвижущую силу, которая пропорциональна количеству витков катушки.

Важно! Когда по первичной катушке проходит ток, он создает с ее помощью магнитное поле, пронизывающее не только эту обмотку, но и вторичную.

Принцип работы и рассеивание магнитных волн

В чем его достоинства и недостатки

Любое электротехническое приспособление обладает рядом преимуществ и недостатков. Однофазные электрические трансформаторы этому не исключение. Достоинств у них больше, чем минусов. Основными из них являются:

  • обладают одним из самых больших коэффициентов полезного действия (КПД), который составляет 98 %;
  • отлично охлаждаются и обладают повышенной стойкостью к перегрузкам и кратковременным скачкам напряжения;
  • экологическая безопасность сухого вида. Масла в них нет, а значит, что окружающей среде ничего не может навредить даже после утилизации;
  • отсутствие нужды соблюдения особых противопожарных мер в местах установки трансформаторов;
  • сравнительно небольшие размеры, позволяющие устанавливать аппараты в небольшие отсеки.

Не лишены эти приборы и ряда недостатков, которые зависят от их вида и места применения:

  • сложное обслуживание, если аппарат масляный. Его регулярно нужно проверять на пробой и подтекание резиновых прокладок, замена которых достаточно сложная;
  • сухие однофазные приборы не переносят повышенную влажность, ветер, химические и физические воздействия, а также загрязнение;
  • высокая стоимость сухих трансформаторов по сравнению с масляными.

Конструкция однофазного трансформатора

Конструкция простейшего однофазного электрического трансформатора такова: замкнутый ферромагнитный стальной сердечник, находящийся внутри двух катушек (их может быть и больше). Та обмотка, которая соединена с источником электрической энергии, называется первичной. Катушка, соединенная с потребителем энергии, называется вторичной.

Читайте так же:
Правила обслуживания септика зимой: мероприятия по чистке и профилактические работы

Обратите внимание! Все параметры и величины в таком приборе делятся на первичные и вторичные. Это зависит от того, где они наблюдаются (в той или иной обмотке) и на что влияют.

В процессе протекания по прибору электрического тока в первичной катушке возникают напряжение и сила намагничивания, возбуждающая поток магнитных волн в стальном сердечнике. Этот поток в первой катушке появляется благодаря силе самоиндукции, а во второй — взаимоиндукции.

Конструкция аппарата

Назначение однофазного трансформатора

Трансформаторные установки нашли широкое применение в различных электросетях. Они являются незаменимыми частями всей электрической системы. Все дело в том, что передача электроэнергии по сетям осуществляется при высоком напряжении (от 500 до 1000 кВ), а для перемещения той же мощности потребуется куда менее сильный ток, что ведет к снижению потерь. На станции с помощью трансформаторов повышают напряжение со стороны отправителя и уменьшают его со стороны получателя.

К сведению! Выше описаны силовые приборы, но есть и измерительные, сварочные трансформаторы. В некоторых приборах они используются для разделения цепи гальваническим методом. Электротрансформаторы относят к машинам, хотя они не имеют движущихся частей.

Коробка для подключения

Однофазный трансформатор имеет широкое распространение в электротехнике и электрических сетях. Благодаря своему простому строению и высокому КПД его зона применения расширилась от силовых установок до бытовых приборов.

Устройство и принцип работы однофазного трансформатора

Действующее в электрической сети напряжение 220 Вольт в том виде, в котором оно поступает в квартиру, непригодно для работы большинства электронных устройств. Для приведения его к удобному типу для питания бытовой аппаратуры требуются специальные преобразователи, называемые трансформаторами. С их помощью удается понизить величину питающего напряжения до нужного значения, а затем выпрямить его.

Общие сведения о трансформаторах

В качестве преобразователей эти устройства традиционно применяются для приведения к приемлемому виду мощностей, пересылаемых по высоковольтным линиям. Для «переброски» на огромные расстояния подходят только сверхвысокие напряжения, при которых ток может иметь приемлемую величину.

Если попытаться передать энергию хотя бы на сотню километров в виде привычного напряжения 380 Вольт – для доставки до потребителя нужной мощности потребуется ток величиной в миллионы Ампер.

Для ее рассеяния нужен провод толщиной примерно с человеческое тело, что на практике реализовать невозможно. Поэтому на генерирующей электричество стороне с помощью другого (повышающего) трансформатора его значение поднимается до 110-ти кВ. В таком виде использовать электроэнергию распределения по жилым строениям и производственным объектам нельзя. Поэтому после доставки по ВВ в распределительных станциях 110 кВ понижаются до 10(6) кВ.

Отсюда они поступают в районные трансформаторные подстанции, где в местном понижающем трансформаторе приобретают свой окончательный вид 380 (220) Вольт. При таких значениях потенциалов энергию легко удается транспортировать по подземному кабелю или воздушному проводу СИП до конечного потребителя. Поэтому однофазный трансформатор играет большую роль в жизни человека.

Назначение и устройство

Любой трансформатор 220 Вольт однофазный представляет собой электрическое устройство, работающее только в цепях переменного тока. С его помощью входное напряжение преобразуется в нужную величину (чаще всего оно уменьшается). При этом ток, отбираемый от вторичной обмотки, возрастает, поскольку мощность предается практически без потерь. Отсюда следует, что основное назначение этого прибора – получить нужное для решения задач напряжение, а затем использовать его в конкретных целях.

Составить более полное представление поможет знакомство с конструкцией трансформатора, который состоит из следующих основных элементов:

  • сердечник из ферромагнитных материалов;
  • первичная и вторичная катушка, размещенная на изолированном каркасе;
  • защитный кожух (этот элемент у ряда моделей отсутствует).

В некоторых образцах вместо ферромагнетиков применяются электротехническая сталь или пермаллой. Выбор определенного типа материала сердечника зависит от области использования самого изделия.

Принцип действия

Принцип работы однофазного трансформатора основан на законе, согласно которому действующее в витке переменное э/м поле наводит ЭДС в расположенном рядом проводнике. Явление названо законом электромагнитной индукции Фарадея, который первым обнаружил этот интересный эффект. Для его обоснования ученый разработал целую теорию, которая легла в основу работы большинства современных электротехнических устройств и агрегатов.

Читайте так же:
Как выбрать выключатели и розетки в квартиру: марки и рейтинг

Основные ее положения:

  • при прохождении тока через виток провода вокруг него формируется магнитный поток, захватывающий все такие же витки, расположенные рядом;
  • под воздействием этого потока в них наводится ЭДС, по форме изменений совпадающая с исходным полем;
  • при наличии в нем ферромагнетика действие этого эффекта усиливается.

Все эти принципы заложены в основу действия современного трансформаторного изделия. При подключении к вторичной обмотке нагрузки рабочая цепь замыкается, а энергия практически без потерь передается потребителю.

Режимы работы

Подобно любым преобразовательным устройствам трансформатор имеет два режима работы:

  • так называемый «холостой ход»;
  • режим нагрузки.

При холостом ходе устройство работает без нагрузки и потребляет минимум мощности, рассеиваемой только в первичной обмотке. Ток в ней также минимален и составляет обычно не более 3-10% от значения, наблюдаемого при подключенной нагрузке. Во втором случае в витках вторичной обмотки начинает течь ток, величина которого обратно пропорциональна количеству витков в катушке.

В понижающем трансформаторе напряжение в ней ниже, а ток – больше. В этом режиме мощность в нагрузку передается с учетом теплового рассеяния в сердечнике трансформатора.

Основные параметры

При рассмотрении параметров преобразователей напряжения и тока важно отметить коэффициент трансформации k, определяемый как I1/I2 = w2/w1 = 1/k. Здесь w2 и w1 – число витков во вторичной и первичной обмотках соответственно. Помимо этого, учитываются и такие его характеристики, как размер окна сердечника, в котором размещаются катушки.

Еще одним параметром, характеризующим передаточные свойства однофазного двухобмоточного трансформатора по напряжению, является тот же коэффициент трансформации k, величина которого для понижающего прибора меньше 1. И наоборот, если к > 1 – это изделие является повышающим трансформатором. При отсутствии потерь в проводах обмоток и рассеивания потока вычислить этот показатель очень просто. Для этого удобнее всего воспользоваться простым алгоритмом расчета: k= U2/U1. Если вторичных обмоток несколько, указанный параметр следует определять для каждой из них в отдельности.

Виды трансформаторов и их применение

По конструктивным особенностям сердечника известные образцы однофазных трансформаторов подразделяются на стержневые, кольцевые и броневые изделия. По форме используемого в них магнитопровода они могут быть:

  • Ш-образными;
  • Тороидальными;
  • П-образными.

Каждая из этих форм подходит для определенных целей, связанных с необходимостью получения заданных передаточных характеристик.

По величине максимально достижимой магнитной связи (МС) трансформаторы делятся на изделия с сильным, средним и слабым взаимодействием. Эти характеристики в значительной мере зависят от конструкции самого изделия и вида его сердечника.

Однофазный трансформатор востребован в тех областях, где нужно согласовать две силовые цепи с электрической развязкой каждой из них.

Эксплуатация изделий

При эксплуатации однофазных преобразующих устройств особое внимание обращается на безопасное обращение с ними, что объясняется высоким напряжением, присутствующим на первичных обмотках. Также важно учитывать следующие моменты, касающиеся правил установки и включения трансформаторов в электрические схемы:

  • чтобы избежать выхода обмоток из строя (выгорания), следует защищать вторичные цепи от КЗ;
  • важно следить за тепловым режимом сердечника и обмоток и, если потребуется, предусмотреть их охлаждение.

Уход за однофазным трансформатором сводится к стандартным процедурам, которые предусмотрены положениями действующих нормативов.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию