Принцип работы и устройство трансформатора

В статье подробно рассказываем, что такое трансформаторы, как они устроены и каких видов бывают. Перечисляем сферы применения, анализируем преимущества и недостатки.

Назначение трансформаторов

Трансформаторы используют, чтобы изменять напряжение и распределять электроэнергию при передаче. Также у этого оборудования есть другие функции:

• Создавать гальваническую развязку. Трансформатор передает ток без непосредственного электрического контакта. За счет этого повышается уровень безопасности электроприборов: они защищены от сбоев и повреждений, которые могут возникнуть из-за аварий на линии.
• Измерять параметры тока. Это одна из функций измерительных трансформаторов. Они позволяют безопасно контролировать параметры сети (напряжение, ток) без прямого подключения измерительных приборов к высоковольтным цепям. Для удобного и безопасного подключения измерительных цепей используют испытательные переходные коробки.

Разные виды трансформаторов применяют в подавляющем большинстве схем питания. Такое оборудование востребовано на электростанциях, в системах освещения, аудиосистемах, бытовых электроприборах, промышленности и других сферах.

Устройство трансформатора

Конструкция большинства моделей довольно проста и включает в себя всего несколько основных элементов.

Основные части трансформатора

• Магнитопровод (сердечник). Компонент из стальных пластин, сплава железа и никеля или ферритов. По сердечнику проходит магнитный поток. За счет свойств материалов минимизируются потери напряжения. Форма магнитопровода и выбор металлов, из которых его изготавливают, зависят от назначения, условий эксплуатации и характеристик трансформатора.
• Обмотки. Устанавливаются на магнитопровод, делятся на первичные и вторичные. Катушки электрически изолированы друг от друга, но связаны индукционно. Их форма зависит от вида магнитопровода и может быть цилиндрической, дисковой или пластинчатой. Первичные (входные) обмотки подключают к источнику переменного напряжения. Вторичные (выходные) подсоединяют к потребителю — через них подается ток с измененным вольтажом.
• Корпус и изоляция. Оба элемента — защитные. Корпус предотвращает негативные последствия внешних воздействий на катушки и магнитопровод. Как правило, эту часть изготавливают из тонкостенного металла, за счет которого от внутренних компонентов отводится лишнее тепло. Изоляция нужна, чтобы избежать пробоев между обмотками и другими деталями. Их изолируют бумагой, лаками, компаундами или газами.

Дополнительные элементы (для силовых моделей)

Подробнее о функциях и назначении силовых трансформаторов мы расскажем ниже. А пока рассмотрим, чем их строение отличается от конструкции других устройств.

Силовые трансформаторы, как и все остальные, состоят из сердечника, обмоток, корпуса и изоляции. Но есть и дополнительные элементы:

• Система охлаждения. Охладители снижают температуру обмоток и сердечника. Охлаждение происходит за счет минерального масла, которое циркулирует внутри специального бака, или благодаря естественной конвекции воздуха вокруг корпуса. Если этого недостаточно, добавляют вентиляторы.
• Вводы и регуляторы напряжения. Вводы — изолированные проводники, через которые подключают внешние электроцепи. А с помощью регуляторов напряжения изменяют коэффициент трансформации тока за счет уменьшения или увеличения количества витков в обмотке.
• Дополнительные детали. Чтобы повысить безопасность устройства и сделать его обслуживание более удобным, подключают защитные газовые реле, индикаторы температуры и другие вспомогательные элементы.

Принцип работы трансформатора

Основной физический принцип действия трансформатора — закон электромагнитной индукции Фарадея. Ток в первичной обмотке создает изменяющееся во времени магнитное поле в магнитопроводе. Это поле «дотягивается» до вторичной обмотки и индуцирует в ней электродвижущую силу (ЭДС). Энергия из первичной цепи передается во вторичную без непосредственного электрического контакта. Уровень напряжения при этом меняется в зависимости от соотношения витков обмоток.

Говоря проще, это работает так:

• На первичную обмотку подают переменный ток. Напряжение подается от внешнего источника. Ток проходит через обмотку и создает переменное магнитное поле в магнитопроводе.
• В сердечнике возникает переменный магнитный поток. Его создает магнитное поле. Этот поток пересекает все витки и первичной, и вторичной обмоток.
• Во вторичной обмотке появляется ЭДС. Ее величина зависит от скорости изменения магнитного потока и количества витков на второй катушке.
• Напряжение на выходе меняется. Оно пропорционально количеству витков, через которые проходит поток.

Чтобы рассчитать коэффициент трансформации (Кт), используют формулу:

Кт =" U₁/U₂ = "N₁/N₂

U₁ и U₂ — напряжение на первичной и вторичной обмотках соответственно, а N₁ и N₂ — количество витков. Рассмотрим на примере:

• на первой катушке — 1000 витков (N₁="1000);
• на второй — 50 (N₂="50);
• тогда коэффициент трансформации — 20 (1000/50).

То есть выходное напряжение становится меньше входного в 20 раз. Если бы витков на вторичной обмотке было больше, чем на первой, напряжение на выходе получилось бы выше, чем на входе.

Какими бывают трансформаторы

Оборудование классифицируют по-разному. Например, делят на понижающие, повышающие и разделительные трансформаторы. В первом случае на вторичной катушке меньше витков и ниже выходное напряжение, во втором — наоборот. Разделительные трансформаторы не изменяют уровень напряжения, а устраняют прямую электрическую связь между сетью и подключенными приборами.

Оборудование делят на группы и по другим критериям. Рассмотрим каждый подробнее.

По назначению

• Силовые. Самая распространенная разновидность. Такие устройства преобразуют напряжение в электроцепях и передают энергию на большие расстояния с минимальными потерями напряжения.

• Импульсные. Не предназначены для токов с высокой мощностью. Главная функция — преобразовывать импульсные сигналы и передавать их с минимальным искажением.

• Измерительные. В каталоге КЭАЗ представлены трансформаторы типа ТТК (катушечные), разработанные для измерения очень большого тока без риска для людей и оборудования. Такие устройства понижают опасные значения до безопасных и избавляют от необходимости подключать измерительные приборы к высоковольтным цепям.

По типу охлаждающей системы

• Сухие. Охлаждаются за счет воздушной среды или специальных материалов и инструментов: лаков, полиэфирных коробок, эпоксидной смолы. Тепло отводят благодаря естественной конвекции или принудительной циркуляции воздуха. Сухие трансформаторы рассчитаны на работу в одно- и трехфазных сетях, отличаются простыми установкой и обслуживанием.

• Масляные. Обладают большей мощностью по сравнению с воздушными. В качестве теплоносителя в масляных трансформаторах применяют минеральное масло. Оно отводит лишнее тепло от внутренних частей и защищает их от пробоев. В отличие от воздушных моделей требуют специальных условий для монтажа: необходимо защитить все компоненты от утечки масла и возможного возгорания.

По количеству фаз

• Однофазные. Маломощные устройства для бытовых приборов, освещения и розеток.
• Трехфазные. Более мощное оборудование для линий электропередач, станков, двигателей, подстанций и распределительных сетей.
• Многофазные. Рассчитаны на работу в особо тяжелых условиях и узкоспециализированных областях, где электрооборудование всегда должно функционировать безотказно.

Сферы применения

Трансформаторы востребованы везде, где используют переменный ток: от гигантских ЛЭП до бытовых зарядных устройств. Рассмотрим три сферы, в которых применение такого оборудования наиболее распространено.

Передача электричества на большие расстояния

В ЛЭП используют повышающие и понижающие трансформаторы. Первые повышают напряжение перед его передачей, чтобы снизить потери, а вторые — понижают, чтобы пользователи получили нужный вольтаж.

Без трансформаторов передача электричества на большие расстояния становится невыгодной. Чем дальше дом или предприятие от электростанции, тем больше энергии тратится на нагревание проводов и меньше доходит до конечного пользователя.

Электроника и бытовые устройства

В таких приборах трансформаторы нужны, чтобы обезопасить питание и согласовать напряжения. Например, зарядники для телефонов и ноутбуков снижают вольтаж с 220 В до 5"-20 В. Другой вариант — стабилизаторы, которые защищают бытовую технику от скачков напряжения в сети.

Для домашней и офисной электроники обычно используют импульсные трансформаторы. Они эффективно справляются с перечисленными задачами и не занимают много места.

Промышленные и медицинские системы

В этих сферах особенно важно, чтобы трансформаторы обеспечивали точный контроль напряжения, были защищены от помех и безопасны для людей.

В промышленности используют силовые модели для питания станков, двигателей и печей. Еще трансформаторы в этой сфере нужны, чтобы создавать гальваническую развязку в системах управления. Так удается избегать помех.

В медицине востребованы другие виды трансформаторов:

• изолирующие — для диагностического оборудования и систем мониторинга пациентов;
• высоковольтные — для трехфазных потребителей (например, рентген-аппаратов или томографов).

Трансформаторы помогают сделать медицинское оборудование безопасным, сохранив его производительность.

Чем полезно использование трансформаторов и какие у них есть ограничения

У трансформаторов есть множество положительных характеристик:

• Энергоэффективность. КПД такого оборудования высок — потери при передаче энергии минимальны.
• Надежность и простое обслуживание. Долго не выходят из строя, не требуют сложных манипуляций для поддержания работоспособности.
• Безопасность. Именно благодаря этим устройствам потребители в домах, офисах и на предприятиях получают напряжение безопасного уровня.

Но трансформаторы подходят для решения не всех задач. Они применимы только в цепях с переменным напряжением. А еще мощные модели трудно перевозить и устанавливать из-за крупных размеров и веса.

Заключение

Сложно представить современную жизнь без трансформаторов. Их используют в большинстве сфер, чтобы обезопасить бытовые и промышленные приборы, повысить эффективность линий электропередач.

Да, у трансформаторов есть ограничения и недостатки. Но эксперты постоянно работают над улучшением оборудования: используют новые технологии и материалы, стремятся уменьшить размеры приборов, автоматизировать их и сделать более экологичными.

КЭАЗ знает о новых разработках не понаслышке. Мы сами постоянно совершенствуем выпускаемое оборудование, патентуем изобретения и предлагаем инновационные решения для разных отраслей.

На нашем сайте вы можете заказать трансформаторы с доставкой по России и странам ближнего зарубежья. Выберите товар, нажмите «Купить» и заполните форму заказа.