Трансформатор, виды, назначение и устройство

Что такое трансформатор?

"Трансформатор - это устройство, предназначенное для изменения напряжения электрического тока или тока магнитной индукции. Основная функция трансформатора заключается в преобразовании электрической энергии из одной величины напряжения в другую величину напряжения при сохранении мощности..." 

---

   Содержание:

---

1. История изобретения

2. Назначение трансформатора

3. Виды, применение

4. Схема, устройство

5. Характеристики

6. КПД

7. Перемотка

8. Эксплуатация

История изобретения

История изобретения трансформатора связана с именем русского ученого и изобретателя Павла Николаевича Яблочкова. Родился 14 сентября 1847 года в селе Сапожок Рязанской губернии. С детства он проявлял интерес к технике и науке, и уже в юности начал заниматься изобретательством. В 1870-х годах работал над созданием электрической свечи – устройства, способного преобразовывать постоянный ток в яркий свет.

В 1876 году Яблочков переехал в Париж, где продолжил свои исследования. Именно там в 1881 году он изобрел трансформатор. Идея создания устройства пришла к нему, когда он работал над усовершенствованием своей электрической свечи. Ченый заметил, что для работы свечи требуется очень высокое напряжение, и решил найти способ уменьшить его.

Ученый создал первый трансформатор, используя две катушки индуктивности, соединенные медной проволокой. Когда одна из катушек была подключена к источнику высокого напряжения, вторая катушка начинала генерировать ток низкого напряжения. Это позволило Яблочкову значительно уменьшить напряжение, необходимое для работы свечей.

Позднее, в 19 веке, трансформаторы стали использоваться для передачи электроэнергии на большие расстояния. Это стало возможным благодаря изобретению трехфазной системы передачи электроэнергии, разработанной Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским. В начале 20 века трансформаторы стали неотъемлемой частью электрической инфраструктуры.

Сегодня трансформаторы используются повсеместно – от бытовой техники до промышленных систем. Они играют ключевую роль в передаче и распределении электроэнергии по всему миру.

Назначение трансформатора

Назначение трансформатора заключается в выполнении следующих функций:

Повышение или понижение напряжения 

Трансформаторы используются для повышения напряжения входящего тока до требуемого уровня, чтобы обеспечить безопасную передачу электроэнергии на большие расстояния. Также они могут использоваться для понижения напряжения, чтобы сделать его более доступным для конечных потребителей.

Изоляция и безопасность 

Изделия обеспечивают изоляцию между первичной и вторичной обмотками, что снижает риск электрического удара и предотвращает возникновение короткого замыкания.

Балансировка нагрузки

Трансформаторы могут быть использованы для балансировки нагрузки между разными источниками электроэнергии, такими как линии электропередач, чтобы предотвратить перегрузку и перегрев.

Передача электроэнергии на большие расстояния 

Приборы играют ключевую роль в передаче электроэнергии на большие расстояния, поскольку они уменьшают потери мощности, вызванные сопротивлением и индуктивностью проводов.

Защита от помех и шумов 

Трансформаторы могут использоваться для подавления электромагнитных помех и шумов, которые могут возникнуть в электрических цепях.

Разделение и объединение цепей 

Трансформаторы также могут использоваться для разделения и объединения цепей, например, для обеспечения безопасности в медицинских устройствах или для подключения нескольких устройств к одной электрической розетке.

Виды трансформаторов, применение

Ниже мы рассмотрим различные виды трансформаторов, их характеристики, принципы работы и области применения.

Силовой трансформатор

Силовой трансформатор – это устройство, предназначенное для передачи и распределения электрической энергии. Он преобразует напряжение и ток на входе в необходимые значения на выходе. Силовые трансформаторы используются в электрических сетях, промышленных установках, а также на электростанциях.

Автотрансформатор

Автотрансформатор – это трансформатор, в котором две или более обмотки соединены электрически, что позволяет ему выполнять функции обычного трансформатора с меньшим количеством обмоток. Благодаря своей конструкции, автотрансформаторы обладают более высоким коэффициентом полезного действия и более низкой стоимостью по сравнению с силовыми трансформаторами. Однако они имеют ограниченную мощность и могут быть подвержены короткому замыканию.

Многообмоточный трансформатор

Это вид силового трансформатора, имеющий несколько обмоток на одном сердечнике. Количество обмоток может варьироваться от двух до нескольких десятков. Каждая обмотка имеет свою функцию и назначение, например, одна обмотка может обеспечивать питание устройства, другая – выполнять функцию заземления, а третья – обеспечивать защиту от перенапряжения.

Повышающий трансформатор

Повышающий трансформатор – это тип трансформатора, который увеличивает напряжение на выходе по сравнению с напряжением на входе. Он используется в системах передачи электроэнергии на большие расстояния для уменьшения потерь мощности в линии.

Понижающий трансформатор

Понижающий трансформатор – это трансформатор, который уменьшает напряжение на выходе относительно напряжения на входе. Понижающие трансформаторы широко используются в бытовых приборах, источниках питания устройств и других приложениях, где необходимо снизить высокое напряжение сети до более низкого уровня.

Тороидальный трансформатор

Это силовой трансформатор, имеющий форму тора. Его сердечник имеет форму кольца, что обеспечивает меньшие потери на вихревые токи и более высокую эффективность по сравнению с трансформаторами с сердечниками прямоугольной формы. Тороидальные трансформаторы обычно используются в источниках питания для аудио- и видеооборудования, а также для радиолюбительских приложений.

Трехфазный трансформатор

Это трансформатор с тремя первичными и вторичными обмотками, связанными между собой по схеме “звезда” или “треугольник”. Трехфазные трансформаторы применяются в трехфазных электрических сетях для преобразования напряжения и тока между различными уровнями напряжения.

Импульсный трансформатор

Это особый вид трансформатора, преобразующий короткие импульсы напряжения в более длинные и мощные. Он используется в устройствах, где требуется быстрое и точное преобразование уровня сигнала, таких как импульсные источники питания, системы управления и телекоммуникационное оборудование.

Разделительный трансформатор

Разделительный трансформатор – это специальный тип силового трансформатора, используемый для разделения электрической и заземляющей цепей в целях безопасности. Он обеспечивает изоляцию между цепями и предотвращает поражение электрическим током в случае короткого замыкания. Разделительные трансформаторы часто используются в медицинских учреждениях, лабораториях и других местах, где требуется высокая степень безопасности.

Схема трансформатора, устройство

Устройство трансформатора состоит из нескольких основных компонентов: сердечника, обмоток, системы охлаждения, корпуса и изоляционных материалов.

Сердечник трансформатора

Сердечник является основным элементом трансформатора, на котором располагаются обмотки. Он состоит из набора пластин электротехнической стали, которые обеспечивают минимальное сопротивление магнитному потоку и максимальную индуктивность обмоток. Пластины сердечника изолированы друг от друга для предотвращения возникновения вихревых токов (токов Фуко).

Обмотки трансформатора

Обмотки трансформатора представляют собой провода, навитые на сердечник. Первичная обмотка принимает входное напряжение, а вторичная выдает выходное напряжение. Количество витков каждой обмотки определяет коэффициент трансформации напряжения. Обычно первичная обмотка имеет больше витков, чем вторичная.

Система охлаждения

Для отвода тепла, выделяемого при работе трансформатора, используются различные системы охлаждения. Они могут быть естественными (воздушными) или принудительными (жидкостными или газовыми). В зависимости от типа системы охлаждения, трансформатор может быть открытым или герметичным.

Корпус трансформатора

Корпус служит для защиты его внутренних компонентов от внешних воздействий и механических повреждений. Он также обеспечивает возможность установки трансформатора на монтажную поверхность или в стойку.

Изоляционные материалы

Изоляционные материалы используются для обеспечения электрической изоляции между обмотками, сердечником и корпусом трансформатора. Они также защищают компоненты трансформатора от коррозии и других внешних воздействий.

В зависимости от конструкции и назначения, трансформаторы могут иметь дополнительные элементы, такие как датчики температуры, вентиляторы для принудительного охлаждения, автоматические регуляторы напряжения и т. д.

Характеристики

Основные характеристики трансформатора включают:

• Мощность: Это произведение входного напряжения на входной ток. Измеряется в ваттах (Вт).
• Коэффициент трансформации: Это отношение выходного напряжения к входному напряжению. Если коэффициент трансформации равен 1, то трансформатор является понижающим, если больше 1 - повышающим.
• КПД: Это соотношение выходной мощности к входной мощности. Чем выше КПД, тем меньше потерь энергии в трансформаторе.
• Индуктивность первичной обмотки: Это коэффициент пропорциональности между током через обмотку и создаваемым им магнитным потоком. Индуктивность измеряется в генри (Гн).
• Взаимная индуктивность между обмотками: Это коэффициент, характеризующий связь между магнитными потоками, создаваемыми токами в разных обмотках. Измеряется в мГн (миллигенри).
• Сопротивление обмоток: Это параметр, который определяет потери энергии на нагрев обмоток, измеряется в омах (Ом).
• Тип сердечника: Компонент может быть изготовлен из различных материалов, таких как электротехническая сталь, перминвар или феррит. Выбор материала влияет на индуктивность обмоток и потери энергии в сердечнике.
• Рабочая частота: Большинство трансформаторов работают на частоте 50 или 60 Гц, но есть также, которые работают на других частотах, например, импульсные трансформаторы.
• Температурный режим: Трансформаторы должны работать в определенном температурном диапазоне, чтобы обеспечить их надежную работу и долгий срок службы.
• Класс изоляции: Изоляция между обмотками и сердечником должна выдерживать определенное напряжение, чтобы предотвратить пробой изоляции и короткое замыкание.

КПД трансформатора

КПД трансформатора (коэффициент полезного действия) - это отношение мощности на выходе трансформатора к мощности на его входе. Он показывает, какая часть потребляемой энергии преобразуется в полезную мощность на выходе.

КПД трансформатора зависит от следующих факторов:

• Потери в сердечнике: потери на гистерезис возникают из-за перемагничивания сердечника, а потери на вихревые токи - из-за возникновения токов Фуко в сердечнике. Для снижения этих потерь используют материалы с низкой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью.
• Потери на нагревание: возникают из-за нагрева обмоток трансформатора. Происходит это из-за протекания тока через обмотки и зависят от сопротивления обмоток и силы тока. Для уменьшения этих потерь используются материалы с низким удельным сопротивлением и улучшенная конструкция обмоток.
• Магнитные потери: потери на рассеивание магнитного поля в окружающем пространстве. Они зависят от качества сборки трансформатора и его конструкции.
• Электрические потери: связаны с нагревом проводов обмоток из-за их электрического сопротивления.
• Механические потери: потери из-за трения между движущимися частями трансформатора.

В целом, для повышения КПД трансформатора необходимо оптимизировать его конструкцию, использовать материалы с низкими потерями и улучшать качество сборки.

Перемотка

Перемотка трансформатора – это процесс создания или обновления обмотки на сердечнике трансформатора. Этот процесс включает в себя следующие этапы:

• Выбор материала для обмотки: обмотка может быть сделана из меди, алюминия или других проводящих материалов. Выбор зависит от требований к трансформатору и условий его эксплуатации.
• Расчет количества витков: это зависит от напряжения, тока и мощности трансформатора, а также от типа сердечника (шихтованный или ленточный).
• Подготовка сердечника: сердечник может быть шихтованным или ленточным, и его необходимо предварительно подготовить – очистить от старой обмотки и изоляции, проверить на отсутствие дефектов и провести его пропитку специальным лаком.
• Изготовление каркаса для обмотки: для создания каркаса используется электрокартон или специальная бумага. Каркас необходим для обеспечения равномерного распределения витков и предотвращения их смешения.
• Намотка провода: провод наматывается на каркас, причем необходимо следить за тем, чтобы витки были равномерно распределены и не пересекались друг с другом.
• Изоляция обмотки: после намотки провода на него необходимо нанести изоляцию, которая защитит его от механических повреждений и предотвратит возникновение короткого замыкания. Для этого используются специальные изоляционные материалы, например, лакоткань или электрокартон.
• Установка выводов: после изоляции обмотки устанавливаются выводы для подключения к источнику питания и нагрузке. Выводы могут быть изготовлены из медных или алюминиевых проводов, в зависимости от требований.
• Сборка трансформатора: после выполнения всех этапов перемотки и установки выводов трансформатор собирается, и проверяется его работоспособность.
• Испытания: после сборки трансформатор необходимо испытать на работоспособность, измерить его параметры (сопротивление, индуктивность, емкость) и проверить отсутствие коротких замыканий и других дефектов.

Эксплуатация трансформатора

Эксплуатация трансформатора заключается в следующем:

1. Перед включением необходимо проверить уровень масла, исправность всех компонентов, а также состояние заземления.
2. После включения необходимо установить нагрузку на трансформатор, которая соответствует его номинальной мощности.
3. Во время работы необходимо контролировать температуру, уровень масла и состояние изоляции.
4. Периодически необходимо проводить техническое обслуживание трансформатора, заменять масло, фильтры, проверять состояние обмоток.
5. Также необходимо обслуживать и ремонтировать вспомогательные устройства, такие как вентиляторы, насосы, и клапаны.
6. При эксплуатации трансформатора необходимо соблюдать правила техники безопасности.

В процессе эксплуатации ведется учет проведенных работ и замен, который позволяет контролировать состояние трансформатора.