Трансформатор переменного тока: определение, устройство, виды конструкций и обозначение на схеме

Обновлено: 18.05.2024

Достигается это посредством несложного устройства — трансформатора, созданного в \(1876\) году русским учёным Павлом Николаевичем Яблочковым.

Трансформатор — устройство, осуществляющее повышение и понижение напряжения переменного тока при неизменной частоте и незначительных потерях мощности.

Простейший трансформатор состоит из двух катушек изолированного провода и замкнутого стального сердечника, проходящего сквозь обе катушки. Катушки изолированы друг от друга и от сердечника. Одна из катушек, называемая первичной, включается в сеть переменного тока. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Магнитное поле первичной катушки — переменное и меняется с той же частотой, что и ток в первичной катушке. Переменный ток в первой катушке создаёт в стальном сердечнике переменное магнитное поле. Это переменное магнитное поле пронизывает другую катушку, называемую вторичной, и создаёт в ней переменный индукционный ток.

Допустим, что первичная катушка имеет w 1 витков, и по ней проходит переменный ток при напряжении U 1 . Вторичная обмотка имеет w 2 витков, и в ней индуцируется переменный ток при напряжении U 2 .

Опыт показывает, что во сколько раз число витков вторичной катушки больше (или меньше) числа витков на первичной катушке, во столько же раз напряжение на вторичной катушке больше (или меньше) напряжения на первичной катушке:

Величина \(k\) называется коэффициентом трансформации . Коэффициент равен отношению числа витков первичной обмотки к числу витков во вторичной обмотке. Если \(k > 1\), трансформатор является понижающим , при \(k < 1\) — повышающим .

Во сколько раз увеличивается напряжение на вторичной обмотке трансформатора, примерно во столько же раз уменьшается в ней сила тока при работе нагруженного трансформатора.

В результате мощность тока в первичной и вторичной обмотках трансформатора почти одинакова, поэтому коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора близок к единице. КПД у мощных трансформаторов достигает \(99,5\) %.

Большинство начинающих радиолюбителей да и просто тех, кто увлекается радиотехникой, интересуют вопросы о том, что такое трансформатор, как он работает и для чего служит. На самом деле все очень просто: трансформатор служит для преобразования переменного тока из одного значения с определённой частотой (параметром) в другое с идентичным параметром.

Устройство трансформатора

В соответствии с ГОСТ 16110 −82, определение трансформатора выглядит следующим образом: трансформатор — это электромагнитное устройство статистического типа, которое оснащено двумя или более обмотками, обладающими индуктивной связью, и предназначенное для преобразования одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем.

Это электромагнитное изделие обладает простой конструкцией, состоящей из следующих элементов: магнитопровод (магнитной системы), обмотки, обмоточные каркасы, изоляция (не во всех трансформаторах), система охлаждения. дополнительные элементы. На практике производители для изготовления трансформаторов используют одну из трёх базовых концепций:

Стержневая. Обмотки наматываются на крайние стержни.
Броневая. Боковые стенки остаются без обмоток.
Тороидальная. Обладает формой кольца с равномерной намоткой обмоток по всей окружности.

Стоит отметить, что выбор той или иной концепции не оказывает влияния на конечные параметры трансформатора и не сказывается на эксплуатационной надёжности, но, тем не менее существенно различается по технологии изготовления.

Магнитная система

Магнитопроводы для трансформатора обладают определённой геометрической формой и изготавливаются из ряда материалов, к которым относится электротехническая сталь, пермаллой, феррит или иной материал, обладающий ферромагнитными свойствами. В зависимости от материала и конструкции магнитопровод может набираться из пластин, прессоваться, навиваться из тонкой ленты, собираться из двух, четырех и более «подков».

В качестве каркаса для размещения основных обмоток выступают стержни. Они могут обладать различным пространственным расположением, в зависимости от которого различают несколько видов систем.

Плоская магнитная система с продольными осями стержней и ярм, расположенными в одной плоскости.
Пространственная система, где продольные оси стержней располагаются в разных плоскостях.
Симметричняа система, оснащённая идентичными стержнями, которые обладают одинаковым взаимным расположением по отношению к ярмам.
Несимметричная система, состоящую из стержней, некоторые из которых могут отличаться по форме, конструкции и размерам, с различным взаимным расположением по отношению к ярмам.

Конструкция обмотки

Обмотка — это основной элемент трансформатора. Она представляет собой многовитковую конструкцию, изготовленную из одной или нескольких медных (реже алюминиевых) проволок различного диаметра. Как правило, в силовых трансформаторах используются проводники с квадратным сечением, которое позволяет более эффективно использовать имеющееся пространство, за счёт чего увеличивается коэффициент заполнения (К).

Для предотвращения возникновения короткого замыкания каждая обмотка изолируется. В качестве изолирующего материала может быть использована специальная бумага или эмалевый лак. Кстати, если для изготовления обмотки были использованы две отдельно изолированные и параллельно соединённые проволоки, то они могут быть оснащены общей бумажной изоляцией.

Топливный бак

Бак является одним из важнейших дополнительных элементов трансформатора. Он представляет собой ёмкость, предназначенную для хранения трансформаторного масла, а также обеспечения физической защиты активного компонента. Кроме того, корпус бака предназначен для монтажа вспомогательного оборудования и управляющего устройства.

Одним из внутренних элементов бака является сильноточный резонатор. Он подвержен быстрому и частому перегреву в моменты увеличения номинальной мощности и трансформаторных токов. Для снижения риска перегрева вокруг резонаторов устанавливают вставки из немагнитных материалов.

Внутреннее покрытие бака изготавливается из токопроводящих щитков, которые не пропускают магнитные потоки через стены ёмкости. Иногда встречается покрытие, которое изготавливается из материала, обладающего низким магнитным сопротивлением. Такой вариант покрытия поглощает внутренние потоки до подхода к стенкам бака.

Перед заменой топлива из бака выкачивают воздух с целью предотвратить снижение диэлектрической прочности изоляции трансформатора. Из этого наблюдается дополнительное предназначение бака, которое заключается в выдерживании давления атмосферы с минимальной деформацией.

Принцип работы

Трансформаторы функционируют на основании двух принципов: электромагнетизма — создания изменяющегося во времени магнитного потока под воздействием электрического тока, который также изменяется, и электромагнитной индукции — наводки ЭДС (электродвижущей силы), вследствие изменения магнитного потока, проходящего через обмотку.

Включение трансформатора происходит после подачи напряжения на первичную обмотку. Совместно с напряжением на обмотку поступает и переменный ток, участвующий в образовании переменного магнитного потока в магнитопроводе. Это создаёт ЭДС во всех обмотках устройства.

Выходное напряжение (вторичная обмотка) сложным образом связано с формой входного напряжения. Эти сложности обусловили создание линейки новых трансформаторов, которые начали использовать для решения альтернативных задач, например, усиления тока, умножения частоты и генерации сигналов.

Функциональные режимы

Трансформаторы могут функционировать в трёх режимах: холостого хода (ХХ) — 1, нагрузки — 2 и короткого замыкания — 3.

Режим 1: ХХ. Особенностью этого режима является то, что вторичная трансформаторная цепь находится в разомкнутом состоянии, поэтому по ней ток не протекает. В таком положении цепи токовый потенциал равен нулю, что создаёт в первичном контуре ток холостого хода, обладающего реактивной и активной составляющей. Эта ЭДС способна полностью компенсировать питающее напряжение. Такой режим используется для определения КПД и уровня потерь в сердечнике.

Режим 2: нагрузки. В этом режиме привычная обмотка трансформатора запитывается от стороннего источника питания, а к вторичной цепи подключается нагрузка. После подключения нагрузки по вторичной цепи начинает протекать ток, который создаёт магнитный поток, направленный в противоположную сторону от потока первичной обмотки. Это провоцирует неравенство между двумя силами — индукции и источника питания, что увеличивает ток, который протекает по первичной обмотке до момента возращения магнитного потока в первоначальное значение. Этот режим является основным рабочим режимом для трансформаторов.

Режим 3: КЗ. Для получения этого режима вторичный контур трансформатора замыкается накоротко, а к первичной обмотке подводится низкое переменное напряжение. Значение входного напряжения выбирают таким, чтобы ток КЗ получился равным номинальному. Такой режим используют для определения потерь на нагрев обмоток в цепи трансформатора.

Виды изделий

С 30 ноября 1876 года, считающегося датой создания первого трансформатора, прошло уже достаточно много времени. За этот период устройства были значительно изменены как в конструктивном плане, так и по характеристикам. На сегодняшний день существуют следующие виды трансформаторов:

Силовой трансформатор переменного тока. Такие трансформаторы применяются в сетях энергоснабжения и электроустановках, которые предназначены для приёма и использования электроэнергии. Эти трансформаторы используются из того, что по всей длине трассы присутствуют различные рабочие напряжения, например, на ЛЭП (линии электропередачи) оно может варьироваться от 0,035 до 0,75 МВ (мегавольт), а в трансформаторных подстанциях равняется 400 В, которые впоследствии преобразуются в привычные 220/380 В.
Автотрансформатор. Вариант трансформатора с прямым соединением первичной и вторичной обмотки, которое создаёт не только электромагнитную, но и электрическую индукцию. Автотрансформаторы оснащаются многовыводными обмотками, чьё минимальное количество равняется трём. Они используются в качестве элемента, соединяющего эффективно заземлённые сети напряжением от 0,11 МВ с коэффициентом трансформации от 3 до 4. Автотрансформаторы обладают двумя ключевыми преимуществами и одним небольшим недостатком. К первым относятся экономичность (из-за снижения расходов на покупку меди для обмоток и стали для сердечника) и высокий КПД — из-за частичного преобразования входной мощности. Недостаток — это отсутствие гальванической развязки — электрической изоляции между первичной и вторичной цепью.
Трансформатор тока. Устройство с первичной обмоткой, запитывающейся от стороннего источника тока, при этом вторичную цепь стараются изготовить таким образом, чтобы она работала в режиме близком к короткому замыканию. Подключение первичной обмотки производится последовательно к цепи с нагрузкой. В этой цепи протекает переменный ток, который нужно контролировать. Для приближения к режиму КЗ к вторичной цепи подключают вольтметры или индикаторы, например, реле или светодиод. Наличие дополнительных элементов во вторичной цепи обусловило одну из областей применения подобных трансформаторов, заключающуюся в снижении токов первичной обмотки до значений, которые могут использоваться в целях измерения, защиты, управления и сигнализации.
Сварочный трансформатор. Устанавливается в сварочных аппаратах и используется для преобразования сетевого напряжения 220/380 вольт в более низкие значения, а также для повышения уровня тока. Ток можно регулировать изменением индуктивного сопротивления или вторичного напряжения ХХ. Это выполняется секционированием числа витков первичной или второй обмотки соответственно.
Разделительный трансформатор. Отличается от остальных устройств подобного типа отсутствием электрической связи между первичной и вторичной обмотками. Разделительные устройства применяются в электросетях с целью обеспечения безопасности людей при обрыве линий или других чрезвычайных происшествиях, которые могут нанести вред, а также с целью обеспечения гальванической развязки.

Обозначение на схемах

Трансформатор на схеме обозначается следующим образом: по центру чертится толстая линия, которая отображает сердечник, слева от неё в вертикальной плоскости изображается катушка (витками к сердечнику) — первичная обмотка, а справа ещё одна или несколько катушек — вторичные обмотки.

В общем случае схематическое отображение линии, обозначающей сердечник, должно соответствовать толщине витков изображённых катушек. При необходимости подчёркивания материала или особенностей конструкции сердечника на схеме немного видоизменяют центральную линию. Так, классический ферритовый сердечник обозначают сплошной жирной линией, а сердечник, обладающий магнитным зазором, — тонкой линией с разрывом посередине. Магнитодиэлектрические сердечники отображаются тонкой пунктирной линией.

В электрических схемах очень часто возникает необходимость в повышении или понижении напряжения. Для выполнения таких преобразований существуют специальные устройства - трансформаторы. В конструкцию прибора входят обмотки в количестве две и более, намотанные на ферромагнитный сердечник. Поэтому обозначение трансформатора на схеме осуществляется, исходя из конкретной модели и конструктивных особенностей.

Основные типы и принцип действия трансформаторов

Существуют различные типы трансформаторов, отображаемые соответственно на электрических схемах. Например, при наличии только одной обмотки, такие устройства относятся к категории автотрансформаторов. Основные конструкции этих приборов, в зависимости от сердечника, бывают стержневые, броневые и тороидальные. Они имеют практически одинаковые технические характеристики и различаются лишь по способу изготовления. Каждое устройство, независимо от типа, состоит из трех основных функциональных частей - магнитопровода, обмоток и системы охлаждения.

Схематическое изображение трансформатора тесно связано с принципом его работы. Все особенности конструкции отражаются в электрической схеме. Очень хорошо просматривается первичная и вторичная обмотка. К первичной обмотке поступает ток от внешнего источника, а с вторичной обмотки снимается уже готовое выпрямленное напряжение. Преобразование тока происходит за счет переменного магнитного поля, возникающего в магнитопроводе.

Схематическое обозначение трансформаторов

Изображение трансформаторов на схемах определяется ГОСТами, разработанными еще при СССР. С незначительными изменениями и дополнениями они продолжают действовать и в настоящее время. В этом документе определены все известные виды трансформаторов, автотрансформаторов и их условные графические изображения, которые могут выполняться ручным способом или с помощью специальных компьютерных программ.

Условные графические изображения трансформаторов и автотрансформаторов могут быть построены тремя основными способами:

Упрощенная однолинейная схема (чертеж 1) отображает трансформаторные обмотки в виде двух окружностей. Их выводы показываются одной линией, на которую черточками наносится количество этих выводов.
Для автотрансформаторов предусмотрена развернутая дуга (чертеж 2), отображающая сторону более высокого напряжения.
Упрощенные многолинейные обозначения обмоток трансформаторов и автотрансформаторов (чертежи 3 и 4) такие же, как и на однолинейных схемах.

Исключения составляют обозначения выводов обмоток, представленные в виде отдельных линий. Кроме того, существуют развернутые обозначения обмоток, изображаемые в виде полуокружностей, соединенных в цепочку ( .

В зависимости от конструкции, трансформаторы отображаются на схемах следующим образом: трансформатор без магнитопровода с постоянной связью (рисунок 1) и с переменной связью (рисунок 2). Полярность мгновенных значение напряжения (рисунок 3) представлена на примере трансформатора с двумя обмотками и указателями полярности. Трансформаторы с магнитодиэлектрическими магнитопроводами обозначаются как обычный (рисунок 4) и подстраиваемый (рисунок 5).

Существуют и другие схематические обозначения, отображающие количество фаз, расположение отводов, тип соединения (звезда или треугольник) и другие параметры.

Читайте также: