У чому полягає принцип впливу трансформатора. Трансформатори струму - принцип роботи та застосування

Трансформатором називають статичний електромагнітний пристрій, що має дві або більше індуктивно пов'язаних обмоток і призначений для перетворення за допомогою електромагнітної індукції однієї або декількох систем змінного струму в одну або кілька інших систем змінного струму.

Трансформатори широко використовують із наступних цілей.

Для передачі та розподілу електричної енергії. Зазвичай електростанціях генератори змінного струму виробляють електричну енергію при напрузі 6-24 кВ.

Для живлення різних ланцюгів радіо- та телевізійної апаратури; пристроїв зв'язку, автоматики телемеханіки, електропобутових приладів; для поділу електричних кіл різних елементів цих пристроїв; для узгодження напруг

Для включення електровимірювальних приладів і деяких апаратів, наприклад реле, електричні ланцюги високої напруги або ланцюги, по яких проходять великі струми, з метою розширення меж вимірювання та забезпечення електробезпеки. Трансформатори, які застосовуються для цієї мети, називають вимірювальними. Вони мають порівняно невелику потужність, що визначається потужністю, що споживається електровимірювальними приладами, реле та ін.

Принцип дії трансформатора

Електромагнітна схема однофазного двообмотувального трансформатора складається з двох обмоток (рис. 2.1), розміщених на замкнутому магнітопроводі, який виконаний з феромагнітного матеріалу. Застосування феромагнітного магнітопроводу дозволяє посилити електромагнітний зв'язок між обмотками, тобто зменшити магнітний опір контуру, яким проходить магнітний потік машини. Первинну обмотку 1 підключають до джерела змінного струму - електричної мережі з напругою u 1 . До вторинної обмотки 2 приєднують опір навантаження Z H .

Обмотку вищої напруги називають обмоткою вищої напруги (ВН), а низької напруги - обмоткою нижчої напруги (ПН). Початки та кінці обмотки ВН позначають буквами А і X; обмотки ПН - літерами а і х.

При підключенні до мережі у первинній обмотці виникає змінний струм. i 1 , який створює змінний магнітний потік Ф, що замикається магнітопроводом. Потік Ф індукує в обох обмотках змінні ЕРС - е 1 і е 2 , пропорційні, згідно із законом Максвелла, числам витків w 1 і w 2 відповідної обмотки та швидкості зміни потоку dФ/ dt.

Таким чином, миттєві значення ЕРС, індуковані в кожній обмотці,

е 1 = - w 1 d Ф/dt; е2 = -w 2 dФ/dt.

Отже, відношення миттєвих та діючих ЕРС в обмотках визначається виразом

Отже, підбираючи відповідним чином числа витків обмоток при заданій напрузі U 1 можна отримати бажану напругу U 2 . Якщо необхідно підвищити вторинну напругу, то число витків w 2 беруть більше від числа w 1 ; такий трансформатор називають підвищує. Якщо потрібно зменшити напругу U 2 , то число витків w 2 беруть меншим w 1; такий трансформатор називають знижуючим,

Відношення ЕРС ЕВН обмотки вищої напруги до ЕРС ЕПН обмотки нижчої напруги (або відношення їх чисел витків) називають коефіцієнтом трансформації

k= ЕВН / ЕПН = wВН / wПН

Коефіцієнт k завжди більше одиниці.

У системах передачі та розподілу енергії у ряді випадків застосовують триобмотувальні трансформатори, а в пристроях радіоелектроніки та автоматики - багатообмотувальні трансформатори. У таких трансформаторах на магнітопроводі розміщують три або більше ізольованих один від одного обмоток, що дає можливість при живленні однієї з обмоток отримувати дві або більше різних напруг (U 2 , U 3 , U 4 і т.д.) для електропостачання двох або більшої кількості груп споживачів. У триобмотувальних силових трансформаторах розрізняють обмотки вищої, нижчої та середньої (СН) напруг.

У трансформаторі перетворюються лише напруги та струми. Потужність залишається приблизно постійною (вона дещо зменшується через внутрішні втрати енергії в трансформаторі). Отже,

I 1 /I 2 ≈ U 2 /U 1 ≈ w 2 /w 1 .

При збільшенні вторинної напруги трансформатора k раз у порівнянні з первинним, струм i 2 у вторинній обмотці відповідно зменшується в k разів.

Трансформатор може працювати лише у ланцюгах змінного струму. Якщо первинну обмотку трансформатора підключити до джерела постійного струму, то його магніто-проводі утворюється магнітний потік, постійний у часі за величиною і напрямом. Тому в первинній і вторинній обмотках в режимі, що встановився, не індукуються ЕРС, а отже, не передається електрична енергія з первинного ланцюга у вторинну. Такий режим небезпечний для трансформатора, тому що через відсутність ЕРС E 1 первинної обмотки струм I 1 =U 1 R 1 дуже великий.

Важливою властивістю трансформатора, що використовується у пристроях автоматики та радіоелектроніки, є здатність його перетворювати навантажувальний опір. Якщо до джерела змінного струму підключити опір Rчерез трансформатор з коефіцієнтом трансформації до, то для ланцюга джерела

R" = P 1 /I 1 2 ≈ P 2 /I 1 2 ≈ I 2 2 R/I 1 2 ≈ k 2 R

де Р 1 - потужність, що споживається трансформатором від джерела змінного струму, Вт; Р 2 = I 2 2 R≈ P 1 - потужність, що споживається опором Rвід трансформатора.

Таким чином, трансформатор змінює значення опору R k 2 разів. Цю властивість широко використовують для розробки різних електричних схем для узгодження опорів навантаження з внутрішнім опором джерел електричної енергії.

Трансформаторявляє собою статичний електромагнітний апарат з двома (або більше) обмотками, призначений найчастіше для перетворення змінного струму однієї напруги на змінний струм іншої напруги. Перетворення енергії у трансформаторі здійснюється змінним магнітним полем. Трансформатори широко застосовуються при передачі електричної енергії на великі відстані, розподіл її між приймачами, а також у різних випрямних, підсилювальних, сигналізаційних та інших пристроях.

При передачі електричної енергії від електростанції до споживачів сила струму в лінії зумовлює втрати енергії в цій лінії та витрату кольорових металів на її пристрій. Якщо при одній і тій же потужності, що передається, збільшити напругу, то сила струму в такій же мірі зменшиться, а отже, можна буде застосувати дроти з меншим поперечним перерізом. Це скоротить витрати кольорових металів при влаштуванні лінії електропередачі та знизить втрати енергії в ній.

Електрична енергія виробляється на електростанціях синхронними генераторами при напрузі 11-20 кВ; в окремих випадках застосовують напругу 30-35 кВ. Хоча такі напруги є занадто високими для їх безпосереднього використання у виробництві та для побутових потреб, вони недостатні для економічної передачі електроенергії на великі відстані. Подальше підвищення напруги в лініях електропередач (до 750 кВ і більше) здійснюють підвищують трансформаторами.

Приймачі електричної енергії (лампи розжарювання, електродвигуни тощо) з міркувань безпеки розраховують на нижчу напругу (110-380 В). Крім того, виготовлення електричних апаратів, приладів та машин на високу напругу пов'язане зі значними конструктивними складнощами, оскільки струмопровідні частини цих пристроїв при високій напрузі потребують посиленої ізоляції. Тому висока напруга, при якому відбувається передача енергії, не може бути безпосередньо використано для живлення приймачів і підводиться до них через трансформатори, що знижують.

Електричну енергію змінного струму на шляху від електростанції, де виробляється, до споживача доводиться трансформувати 3-4 разу. У розподільчих мережах понижуючі трансформатори навантажуються неодноразово і не повну потужність. Тому повна потужність трансформаторів, що використовуються для передачі та розподілу електроенергії, у 7-8 разів більша за потужність генераторів, що встановлюються на електростанціях.

Перетворення енергії у трансформаторі здійснюється змінним магнітним полем з використанням магнітопроводу.

Напруги первинної та вторинної обмоток, як правило, неоднакові. Якщо первинне напруга менше вторинного, трансформатор називається підвищує, якщо більше вторинного - знижуючим. Будь-який трансформатор може бути використаний як підвищуючий, і як знижуючий. Підвищують трансформатори застосовують передачі електроенергії великі відстані, а понижуючі - її розподілу між споживачами.

Залежно від призначення розрізняють силові трансформатори, вимірювальні трансформатори напруги та трансформатори струму

Силові трансформаториперетворюють змінний струм однієї напруги на змінний струм іншої напруги для живлення електроенергією споживачів. Залежно від призначення вони можуть бути такими, що підвищують або знижують. У розподільчих мережах застосовують, як правило, трифазні двообмотувальні знижувальні трансформатори, що перетворюють напругу 6 і 10 кВ на напругу 0,4 кВ. (Основні типи трансформаторів ТМГ, ТМЗ, ТМФ, ТМБ, ТМЕ, ТМГСО, ТМ, ТМЖ, ТДТН, ТРДН, ТСЗ, ТСЗН, ТСЗГЛ та ін.)

Вимірювальні трансформатори напруги– це проміжні трансформатори, через які включаються вимірювальні прилади при високих напругах. Завдяки цьому вимірювальні прилади виявляються ізольованими від мережі, що уможливлює застосування стандартних приладів (з переградуванням їх шкали) і тим самим розширює межі напруг, що вимірюваються.

Трансформатори напруги використовуються як для вимірювання напруги, потужності, енергії, так і для живлення ланцюгів автоматики, сигналізацій та релейного захисту ліній електропередач від замикання на землю.

У ряді випадків трансформатори напруги можуть бути використані як малопотужні знижувальні силові трансформатори або як випробувальні трансформатори, що підвищують (для випробування ізоляції електричних апаратів).

На ринку Росії представлені такі види трансформаторів напруги:

3НОЛ.06, ЗНОЛП, ЗНОЛПМ, ЗНОЛ.01ПМІ, 3хЗНОЛ.06, 3хЗНОЛП, 3хЗНОЛПМ, НОЛ.08, НОЛ.11-6.О5, НОЛ.12 ОМ3, ЗНОЛ.06-35 (ЗНОЛ.03-35) , НОЛ 35, НОЛ-35 III, НАМІТ-10 , ЗНІОЛ, ЗНІОЛ-10-1, ЗНІОЛ-10-П, ЗНІОЛ-20, ЗНІОЛ-20-П, ЗНІОЛ-35, ЗНІОЛ-35-П, ЗНІОЛ-35 -1, НІОЛ-20, НІОЛ-35, НОЛ-СЕЩ-10, НОЛ-СЕЩ-10-1, НОЛ-СЕЩ-6, НОЛ-СЕЩ-6-1, НОЛ-СЕЩ-20, НОЛ-СЕЩ-35 , 3хЗНОЛ-СІЩ-6, 3хЗНОЛ-СІЩ-10, НАЛІ-СІЩ-10, НАЛІ-СІЩ-6, НТМІ 6, НТМІ 10, НАМІ 6, НАМІ 10, НАМИ 35, НАМИ 110, ЗНАМІТ-6, ЗНАМІТ-6 , ЗНОМП 35, НДМ 6, НДМ 10, НДМ 35, НКФ 110, НКФ 150, НКФ 220 та інші.

У вимірювальних трансформаторів напруги первинна обмотка 3000/√3, 6000/√3, 10000/√3, 13800/√3, 18000/√3, 24000/√3, 27000/√3, 35000/√3, 6600 , 110000/√3, 150000/√3, 220000/√3, 330000/√3, 400000/√3, 500000/√3, а вторинна 100/√3 або 110/√3.

Трансформатор струмує допоміжним апаратом, в якому вторинний струм практично пропорційний первинному струму і призначений для включення вимірювальних приладів і реле в електричні ланцюги змінного струму.

Постачаються із класом точності: 0,5; 0,5S; 0,2; 0,2S.

Трансформатори струму служать для перетворення струму будь-якого значення і напруги в струм, зручний для вимірювання стандартними приладами (5 А), живлення струмових обмоток реле, пристроїв, що відключають, а також для ізолювання приладів і обслуговуючого їх персоналу від високої напруги.

ВАЖЛИВО! Вимірювальні трансформатори струму поставляються з наступними коефіцієнтами трансформації: 5/5, 10/5, 15/5, 20/5, 30/5, 40/5, 50/5, 75/5, 100/5, 150/5, 200 /5, 300/5, 400/5, 500/5, 600/5, 800/5, 1000/5, 1500/5, 2000/5, 2500/5, 3000/5, 5000/5, 8000/5 10000/5.
На ринку Росії трансформатори струму представлені такими моделями:

ТОП-0,66, ТШП-0,66, ТОП-0,66-I, ТШП-0,66-I, ТШЛ-0,66, ТНШЛ-0,66, ТНШ-0,66, ТОЛ-10, ТЛО-10, ТОЛ-10-I, ТОЛ-10-М, ТОЛ-10-8, ТОЛ-10-IM, ТОЛ-10 III, ТШЛ-10, ТЛШ-10, ТПЛ-10-М, ТПОЛ-10 , ТПОЛ-10М, ТПОЛ-10 III, ТЛ-10, ТЛ-10-М, ТПЛК-10, ТОЛК-6, ТОЛК-6-1, ТОЛК-10, ТОЛК-10-2, ТОЛК-10-1, ТІЛ-20, ТШЛ-20-I, ТПЛ-20, ТПЛ-35, ТІЛ-35, ТІЛ-35-III-IV, ТІЛ-35 II-7.2, ТЛК-35, ТБ, ТЛК-10, ТПЛ-10С , ТЛМ-10, ТШЛП-10, ТПК-10, ТВЛМ-10, ТВК-10, ТВЛМ-6, ТЛК-20, ТЛК-35-1, ТЛК-35-2, ТЛК-35-3, ТОЛ-СІЩ 10, ТОЛ-СЕЩ-20, ТОЛ-СЕЩ-35, ТШЛ-СЕЩ 0,66, трансформатори Ritz, ТПЛ-СЕЩ 10, ТЗЛК(Р)-СЕЩ 0,66, ТВ-СЕЩ-10, ТВ-СЕЩ-20 , ТВ-СЕЩ-35, ТШЛ-СЕЩ-10, ТШЛ-СЕЩ-20, ТЗЛВ-СЕЩ-10 та інші.

Класифікація трансформаторів напруги

Трансформатори напруги різняться:

А) за кількістю фаз - однофазні та трифазні;
б) за кількістю обмоток - двох-обмотувальні, три-обмотувальні, чотири-обмотувальні.
приклад 0,5/0,5S/10Р;
в) за класом точності, тобто за допустимими значеннями похибок;
г) за способом охолодження - трансформатори з масляним охолодженням (масляні), з природним повітряним охолодженням (сухі та з литою ізоляцією);
д) за родом установки – для внутрішньої установки, для зовнішньої установки та для комплектних розподільчих пристроїв (КРУ).

Для напруги до 6-10 кВ трансформатори напруги виготовляють сухими, тобто з природним повітряним охолодженням. Для напруги вище 6-10 кВ застосовують масляні трансформатори напруги.

Трансформатори внутрішньої установки призначені для роботи при температурі навколишнього повітря від -40 до + 45°З відносною вологістю до 80%.

У однофазних трансформаторівнапруги на 6 до 10 кВ переважно застосовується лита ізоляція. Трансформатори з литою ізоляцією повністю або частково (одні обмотки) залиті ізоляційною масою (епоксидною смолою). Такі трансформатори, призначені для внутрішньої установки, вигідно відрізняються від масляних: мають менші маси та габаритні розміри і майже не вимагають догляду в експлуатації.

Трифазні дво-обмотувальні трансформаторинапруги мають звичайні три-стрижневі магнітопроводи, а трьох-обмотувальні - однофазні броньові.
Трифазний три-обмотувальний трансформаторє групою з трьох однофазних однополюсних одиниць, обмотки яких з'єднані за відповідною схемою. Трифазні три-обмотувальні трансформатори напруги старої серії (до 1968-1969 р.) мали бронестрижневі магнітопроводи. Трифазний трансформатор менше за масою та габаритами, ніж група з трьох однофазних трансформаторів. Під час роботи трифазного трансформатора для резерву потрібно мати інший трансформатор на повну потужність
У масляних трансформаторах основним ізолюючим і охолодним середовищем є трансформаторне масло.

Масляний трансформаторскладається з магнітопроводу, обмоток, бака, кришки із введеннями. Магнітопровід збирають із ізольованих один від одного (для зменшення втрат на вихрові струми) листів холоднокатаної електротехнічної сталі. Обмотки виготовляють із мідного або алюмінієвого дроту. Для регулювання напруги обмотка ВН має відгалуження, що з'єднуються з перемикачем. У трансформаторах передбачено два види перемикання відгалужень: під навантаженням – РПН (регулювання під навантаженням) та без навантаження, після відключення трансформатора від мережі – ПБВ (перемикання без збудження). Найбільш поширений другий спосіб регулювання напруги як найпростіший.

Крім зазначених трансформаторів з масляним охолодженням (Трансформатор ТМ) випускаються трансформатори в герметичному виконанні (ТМГ), в яких масло не повідомляється з повітрям і, отже, виключається його прискорене окислення та зволоження. Масляні трансформатори у герметичному виконанні повністю заповнені трансформаторним маслом і не мають розширювача, а температурні зміни його об'єму при нагріванні та охолодженні компенсуються зміною об'єму гофрів стінок бака. Ці трансформатори заповнюються олією під вакуумом, внаслідок чого підвищується електрична міцність їхньої ізоляції.

Сухий трансформатор, так само як і масляний, складається з магнітопроводу, обмоток ВН та ПН, укладених у захисний кожух. Основним ізолюючим і охолодним середовищем є атмосферне повітря. Однак повітря є менш досконалим ізолюючим і охолодним середовищем, ніж трансформаторне масло. Тому в сухих трансформаторах усі ізоляційні проміжки та вентиляційні канали роблять більшими, ніж у масляних.

Сухі трансформатори виготовляють з обмотками зі склоізоляцією класу нагрівостійкості (ТСЗ), а також з ізоляцією на кремнійорганічних лаках класу Н (ТСЗК). Для зменшення гігроскопічності обмотки просочують лаками. Застосування як ізоляція обмоток скловолокна або азбесту дозволяє значно підвищити робочу температуру обмоток і отримати практично пожежобезпечну установку. Ця властивість сухих трансформаторів дає можливість застосовувати їх для встановлення всередині сухих приміщень у випадках, коли забезпечення пожежної безпеки установки є вирішальним фактором. Іноді сухі трансформатори замінюють більш дорогими та складними у виготовленні совтоловими.

Сухі трансформатори мають дещо більші габаритні розміри та масу (трансформатор ТСЗ) та меншу перевантажувальну здатність, ніж масляні, та використовуються для роботи в закритих приміщеннях з відносною вологістю не більше 80%. До переваг сухих трансформаторів відносять їхню пожежобезпеку (відсутність масла), порівняльну простоту конструкції та відносно малі витрати на експлуатацію.

Класифікація трансформаторів струму

Трансформатори струму класифікуються за різними ознаками:

1. За призначенням трансформатори струму можна розділити на вимірювальні (ТОЛ-СЕЩ-10, ТЛМ-10), захисні, проміжні (для включення вимірювальних приладів у струмові ланцюги релейного захисту, для вирівнювання струмів у схемах диференціальних захистів тощо) лабораторні (високої точності, а також з багатьма коефіцієнтами трансформації).

2. За родом установки розрізняють трансформатори струму:
а) для зовнішньої установки, що встановлюються у відкритих розподільчих пристроях (ТЛК-35-2.1 УХЛ1);
б) для внутрішньої установки;
в) вбудовані в електричні апарати та машини: вимикачі, трансформатори, генератори тощо;
г) накладні - одягаються зверху на прохідний ізолятор (наприклад, на високовольтне введення силового трансформатора);
д) переносні (для контрольних вимірювань та лабораторних випробувань).

3. За конструкцією первинної обмотки трансформатори струму діляться:
а) багатовиткові (котушкові, з петлевою обмоткою та з вісімковою обмоткою);
б) одновиткові (стрижневі);
в) шинні (ТШ-066).

4. За способом встановлення трансформатори струму для внутрішньої та зовнішньої установки поділяються:
а) прохідні (ТПК-10, ТПЛ-СЕЩ-10);
б) опорні (ТЛК-10, ТЛМ-10).

5. По виконанню ізоляції трансформатори струму можна розбити на групи:
а) із сухою ізоляцією (порцеляна, бакеліт, лита епоксидна ізоляція тощо);
б) з паперово-масляною ізоляцією та з конденсаторною паперово-масляною ізоляцією;
в) із заливкою компаундом.

6. За кількістю ступенів трансформації є трансформатори струму:
а) одноступінчасті;
б) двоступінчасті (каскадні).

7. За робочою напругою розрізняють трансформатори:
а) на номінальну напругу вище 1000;
б) на номінальну напругу до 1000 В.

Поєднання різних класифікаційних ознак вводиться в позначення типу трансформаторів струму, що складається з буквеної та цифрової частин.

Трансформатори струму характеризуються номінальним струмом, напругою, класом точності та конструктивним виконанням. На напрузі 6-10 кВ їх виготовляють опорними та прохідними з однією та двома вторинними обмотками класів точності 0,2; 0,5; 1 і 3. Клас точності вказує граничну похибку, яку вносить трансформатор струму в результати вимірювань. Трансформатори класів точності 0,2, що мають мінімальну похибку, використовують для лабораторних вимірювань, 0,5 - для живлення лічильників, 1 і 3 - для живлення обмоток струмових реле і приладів технічних вимірювань. Для безпечної експлуатації вторинні обмотки мають бути заземлені та не повинні бути розімкнені.
При монтажі розподільних пристроїв напругою 6-10 кВ застосовують трансформатори струму з литою та фарфоровою ізоляцією, а при напрузі до 1000 В - з литою, бавовняною та фарфоровою.

Прикладом може бути ТОЛ-СЕЩ-10 опорний 2-х обмотувальний трансформатор струму з литою ізоляцією на номінальну напругу 10 кВ конструктивного варіанта виконання 11, з вторинними обмотками:

Для підключення ланцюгів вимірювання, з класом точності 0,5 та навантаженням 10 ВА;
- для підключення ланцюгів захисту, з класом точності 10Р та навантаженням 15 ВА;

На номінальний первинний струм 150 Ампер, номінальний вторинний струм 5 Ампер, кліматичного виконання «У» категорії розміщення 2 за ГОСТ 15150-69 під час розміщення замовлення на виробництво у ЗАТ «ВолгаЕнергоКомплект:

ТОЛ-СІЩ-10-11-0,5/10Р-10/15-150/5 У2 - з номінальним первинним струмом - 150А, вторинним - 5А.

Дія трансформатора ґрунтується на явищі взаємної індукції. Якщо первинну обмотку трансформатора включити в мережу джерела змінного струму, то нею протікатиме змінний струм, який створить в сердечнику трансформатора змінний магнітний потік. Цей магнітний потік, пронизуючи витки вторинної обмотки, індукуватиме в ній електрорушійну силу (ЕРС). Якщо вторинну обмотку замкнути на будь-який приймач енергії, то під дією ЕРС, що індуктується, по цій обмотці і через приймач енергії почне протікати струм.

Одночасно в первинній обмотці також з'явиться струм навантаження. Таким чином, електрична енергія, трансформуючись, передається з первинної мережі у вторинну при напрузі, на яку розрахований приймач енергії, включений у вторинну мережу.

З метою поліпшення магнітного зв'язку між первинною та вторинною обмотками їх поміщають на сталевий магнітопровід. Обмотки ізолюють як один від одного, так і від магнітопроводу. Обмотка вищої напруги називається обмоткою вищої напруги (ВН), а обмотка нижчої напруги - обмоткою нижчої напруги (НН). Обмотка, включена до мережі джерела електричної енергії, називається первинною; обмотка, від якої енергія подається до приймача, – вторинної.

Зазвичай напруги первинної та вторинної обмоток неоднакові. Якщо первинне напруга менше вторинного, трансформатор називається підвищує, якщо більше вторинного - знижуючим. Будь-який трансформатор може бути використаний як підвищуючий, і як знижуючий. Підвищують трансформатори застосовують передачі електроенергії великі відстані, а понижуючі - її розподілу між споживачами.

У трьох-обмотувальних трансформаторах на магнітопровід поміщають три ізольовані один від одного обмотки. Такий трансформатор, що живиться з боку однієї з обмоток, дає можливість отримувати дві різні напруги та постачати електричну енергію дві різні групи приймачів. Крім обмоток вищої та нижчої напруги трьох-обмотувальний трансформатор має обмотку середньої напруги (СН).

Обмоткам трансформатора надають переважно циліндричну форму, виконуючи їх при малих струмах із круглого мідного ізольованого дроту, а при великих струмах - із мідних шин прямокутного перерізу.

Ближче до магнитопроводу мають у своєму розпорядженні обмотку нижчої напруги, так як її легше ізолювати від нього, ніж обмотку вищої напруги.

Обмотку нижчої напруги ізолюють від стрижня прошарком з будь-якого ізолювального матеріалу. Таку ж ізолюючу прокладку поміщають між обмотками вищої та нижчої напруги.

При циліндричних обмотках поперечному перерізу стрижня магнітопроводу бажано надати круглу форму, щоб у площі, що охоплюється обмотками, не залишалося немагнітних проміжків. Чим менші немагнітні проміжки, тим менша довжина витків обмоток, а отже, і маса міді при заданій площі перерізу сталевого стрижня.

Однак стрижні круглого перерізу виготовляти складно. Магнітопровід набирають із тонких сталевих листів, і для отримання стрижня круглого перерізу знадобилося б велику кількість сталевих листів різної ширини, а це вимагало б виготовлення безлічі штампів. Тому в трансформаторах великої потужності стрижень має ступінчастий поперечний переріз із числом ступенів трохи більше 15-17. Кількість щаблів перерізу стрижня визначається кількістю кутів в одній чверті кола. Ярмо магнитопровода, т. е. та його частина, що з'єднує стрижні, має також ступінчастий переріз.

Для кращого охолодження в магнітопроводах, а також в потужних обмотках трансформаторів влаштовують вентиляційні канали в площинах, паралельних і перпендикулярних площині сталевих листів.
У трансформаторах малої потужності площа перерізу дроту мала і виконання обмоток спрощується. Магнітопроводи таких трансформаторів мають прямокутний переріз.

Номінальні дані трансформатора

Корисна потужність, на яку розрахований трансформатор за умовами нагрівання, тобто потужність його вторинної обмотки при повному (номінальному) навантаженні називається номінальною потужністю трансформатора. Ця потужність виражається в одиницях повної потужності – у вольтамперах (ВА) або кіловольт-амперах (кВА). У Ват або кіловат виражається активна потужність трансформатора, тобто та потужність, яка може бути перетворена з електричної в механічну, теплову, хімічну, світлову і т. д. Перетину проводів обмоток і всіх частин трансформатора, так само як і будь-якого електротехнічного апарату або електричної машини, визначаються не активною складовою струму або активною потужністю, а повним струмом, що протікає провідником і, отже, повною потужністю. Всі інші величини, що характеризують роботу трансформатора в умовах, на які він розрахований також називаються номінальними.

Кожен трансформатор забезпечений щитком з матеріалу, не схильного до атмосферних впливів. Щиток прикріплений до бака трансформатора на видному місці та містить його номінальні дані, які нанесені травленням, гравіюванням, вибиванням або іншим способом, що забезпечує довговічність знаків. На щитку трансформатора вказані такі дані:

1. Марка заводу-виробника.
2. Рік випуску.
3. Заводський номер.
4. Позначення типу.
5. Номер стандарту, якому відповідає виготовлений трансформатор.
6. Номінальна потужність (кВА). (Для триобмотувальних вказують потужність кожної обмотки.)
7. Номінальна напруга та напруга відгалужень обмоток (В або кВ).
8. Номінальні струми кожної обмотки (А).
9. Число фаз.
10. Частота струму (Гц).
11. Схема та група з'єднання обмоток трансформатора.
12. Напруга короткого замикання (%).
13. Рід установки (внутрішня чи зовнішня).
14. Спосіб охолодження.
15. Повна маса трансформатора (кг чи т).
16. Маса олії (кг або т).
17. Маса активної частини (кг або т).
18. Положення перемикача, що позначені на його приводі.

Для трансформатора зі штучним повітряним охолодженням додатково вказана потужність його при вимкненому охолодженні. Заводський номер трансформатора вибитий на баку під щитком, на кришці біля введення ВН фази А і на лівому кінці верхньої полиці ярмової балки магнітопроводу. Умовне позначення трансформатора складається з буквеної та цифрової частин. Літери означають таке:

Т – трифазний,
Про - однофазний,
М - природне масляне охолодження,
Д - масляне охолодження з дуванням (штучне повітряне та з природною циркуляцією олії),
Ц - масляне охолодження з примусовою циркуляцією олії через водяний охолоджувач,
ДЦ - масляне з дуванням і примусовою циркуляцією олії,
Г - грозостійкий трансформатор,
Н в кінці позначення - трансформатор з регулюванням напруги під навантаженням,
Н на другому місці - заповнений негорючим рідким діелектриком,
Т на третьому місці – триобмотувальний трансформатор.

Перше число, яке стоїть після буквеного позначення трансформатора, показує номінальну потужність (кВА), друге число - номінальну напругу обмотки ВН (кВ). Так, тип ТМ 6300/35 означає трифазний двообмотувальний трансформатор з природним охолодженням масляним потужністю 6300 кВА і напругою обмотки ВН 35 кВ. Літера А у позначенні типу трансформатора означає автотрансформатор. У позначенні триобмотувальних автотрансформаторів букву А ставлять або першою, або останньою. Якщо автотрансформаторна схема є основною (обмотки ВН та СН утворюють автотрансформатор, а обмотка ПН додаткова), літеру А ставлять першою, якщо автотрансформаторна схема є додатковою, літеру А ставлять останньою.

Трансформатор - незамінний пристрій електротехніки.

Без нього енергосистема у її нинішньому вигляді не могла б існувати.

Ці елементи присутні і в багатьох електроприладах.

Бажаючим познайомитися з ними ближче пропонується дана стаття, тема якої – трансформатор: принцип роботи та види приладів, а також їхнє призначення.

Так називають пристрій, що змінює величину змінної електричної напруги. Існують різновиди, здатні змінювати його частоту.

Такими апаратами оснащують багато приладів, також вони застосовуються в самостійному вигляді.

Наприклад, установки, що підвищують напругу передачі струму по електромагістралям.

Напруга, що генерується електростанцією, вони піднімають до 35 – 750 кВ, що дає подвійну вигоду:

• зменшуються втрати у дротах;
• потрібні дроти меншого перерізу.

У міських електромережах напруга знову зменшується до величини 6,1 кВ, знову ж таки з використанням .У розподільчих мережах, які роздають електрику споживачам, напруга знижують до 0,4 кВ (це звичні нам 380/).

Принцип роботи

Робота трансформаторного пристрою заснована на явищі електромагнітної індукції, яка полягає в наступному: при зміні параметрів магнітного поля, що перетинає провідник, в останньому виникає ЕРС (електрорушійна сила). Провідник у трансформаторі є у формі котушки або обмотки, і загальна ЕРС дорівнює сумі ЕРС кожного витка.

Для нормальної роботи потрібно виключити електричний контакт між витками, тому використовують провід в ізолюючій оболонці. Цю котушку називають вторинною.

Магнітне поле, необхідне для генерації у вторинній котушці ЕРС, створюється іншою котушкою. Вона підключається до джерела струму і називається первинною. Робота первинної котушки заснована на тому факті, що при протіканні через провідник струму навколо нього формується електромагнітне поле, а якщо він змотаний в котушку, воно посилюється.

Як працює трансформатор

При протіканні через котушку параметри електромагнітного поля не змінюються, і воно нездатне викликати ЕРС у вторинній котушці. Тому трансформатори працюють лише зі змінною напругою.

На характер перетворення напруги впливає співвідношення кількості витків в обмотках – первинної та вторинної. Його позначають "Кт" - коефіцієнт трансформації. Чинний закон:

Кт = W1 / W2 = U1 / U2,

• W1 і W2 - кількість витків у первинній та вторинній обмотках;
• U1 та U2 – напруга на їх висновках.

Отже, якщо в первинній котушці витків більше, то напруга на вторинній висновках нижче. Такий апарат називають знижуючим, Кт у нього більше за одиницю. Якщо витків більше у вторинній котушці - трансформатор напруга підвищує і називається підвищуючим. Його Кт менше одиниці.

Великий силовий трансформатор

Якщо знехтувати втратами (ідеальний трансформатор), то із закону збереження енергії слід:

P1 = P2,

де Р1 та Р2 - потужність струму в обмотках.

Оскільки P = U * I, Отримаємо:

• U1 * I1 = U2 * I2;
• I1 = I2 * (U2 / U1) = I2 / Кт.

Це означає:

• у первинній котушці понижуючого пристрою (Кт > 1) протікає струм меншої сили, ніж у вторинному ланцюзі;
• з підвищуючими трансформаторами (Кт< 1) все наоборот: сила тока в первичной катушке выше, чем в цепи вторичной.

Цю обставину враховують при доборі перерізу дротів для обмоток апаратів.

Конструкція

Трансформаторні обмотки надягають на магнітопровід - деталь з феромагнітної, трансформаторної або іншої магнітом'якої сталі. Він є провідником електромагнітного поля від первинної котушки до вторинної.

Під дією змінного магнітного поля в магнітопроводі також генеруються струми - вони називаються вихровими. Ці струми призводять до втрат енергії та нагрівання магнітопроводу. Останній, з метою звести це явище до мінімуму, набирають із безлічі ізольованих один від одного пластин.

На магнітопроводі котушки розташовують подвійно:

• поряд;
• намотують одну поверх іншої.

Обмотки для мікротрансформаторів виготовляють із фольги товщиною 20 – 30 мкм. Її поверхня внаслідок окислення стає діелектриком і відіграє роль ізоляції.

Конструкція трансформатора

На практиці досягти співвідношення Р1 = Р2 неможливо через втрати трьох видів:

1. розсіювання магнітного поля;
2. нагрівання проводів та магнітопроводу;
3. гістерезис.

Втрати на гістерезис – це витрати енергії на перемагнічування магнітопроводу.Напрямок силових ліній електромагнітного поля постійно змінюється. Щоразу доводиться долати опір диполів у структурі магнітопроводу, що вишикувалися певним чином у попередній фазі.

Втрати на гістерезис прагнуть зменшити, застосовуючи різні конструкції магнітопроводів.

Отже, насправді величини Р1 і Р2 відрізняються і співвідношення Р2 / Р1 називають ККД пристрою. Для його вимірювання використовуються такі режими роботи трансформатора:

• холостого ходу;
• короткозамкнутий;
• із навантаженням.

У деяких різновидах трансформаторів, що працюють з напругою високої частоти, магнітопровід відсутня.

Режим холостого ходу

Первинна обмотка підключена до джерела струму, а ланцюг вторинної розімкнуто. При такому підключенні в котушці тече струм холостого ходу, що в основному реактивний струм намагнічування.

Такий режим дозволяє визначити:

• ККД пристрою;
• коефіцієнт трансформації;
• втрати в магнітопроводі (мовою професіоналів - втрати в сталі).

Схема трансформатора в режимі холостого ходу

Короткозамкнений режим

Висновки вторинної обмотки замикають без навантаження (коротко), так що струм у ланцюзі обмежується лише її опором. На первинні контакти подають таку напругу, щоб струм в ланцюгу вторинної обмотки не перевищував номінального.

Таке підключення дозволяє визначити втрати на нагрівання обмоток (втрати міді). Це необхідно при реалізації схем із застосуванням замість реального трансформатора активного опору.

Режим із навантаженням

У цьому стані до висновків вторинної обмотки підключено споживача.

Охолодження

У процесі роботи трансформатор гріється.

Застосовують три способи охолодження:

1. природне: для малопотужних моделей;
2. примусове повітряне (обдув вентилятором): моделі середньої потужності;
3. потужні трансформатори охолоджуються за допомогою рідини (в основному використовують олію).

Прилад з олійним охолодженням

Види трансформаторів

Апарати класифікуються за призначенням, типом магнітопроводу та потужністю.

Силові трансформатори

Найбільш численна група. До неї належать усі трансформатори, що працюють в енергомережі.

Автотрансформатор

Цей різновид між первинною і вторинною обмотками є електричний контакт. При намотуванні дроту роблять кілька висновків - при перемиканні між ними задіюється різне число витків, через що змінюється коефіцієнт трансформації.

• Підвищений ККД. Пояснюється тим, що перетворенню піддається лише частина потужності. Це особливо важливо при незначній різниці між напругою на вході та виході.
• Низька вартість.Це обумовлено меншою витратою сталі та міді (автотрансформатор має компактні розміри).

Ці пристрої вигідно застосовувати в мережах напругою 110 кВ і більше із ефективним заземленням при Кт не вище 3-4.

Трансформатор струму

Використовується для зниження сили струму у підключеній до джерела живлення первинній обмотці. Пристрій знаходить застосування у захисних, вимірювальних, сигнальних та керуючих системах. Перевага в порівнянні з шунтовими схемами вимірювання полягає в наявності гальванічної розв'язки (відсутність електроконтакту між обмотками).

Первинна котушка входить у ланцюг змінного струму – досліджувану чи контрольовану – з навантаженням послідовно. До висновків вторинної обмотки підключають виконавче індикаторне пристрій, наприклад, реле або прилад вимірювання.

Трансформатор струму

Допустимий опір у ланцюзі вторинної котушки обмежений мізерними значеннями - майже коротке замикання. У більшості струмових величина номінального струму в цій котушці становить 1 або 5 А. При розмиканні ланцюга в ній формується висока напруга, здатна пробити ізоляцію та пошкодити підключені прилади.

Імпульсний трансформатор

Працює з короткими імпульсами, тривалість яких вимірюється десятками мікросекунд. Форма імпульсу мало спотворюється. В основному використовуються у відеосистемах.

Зварювальний трансформатор

Цей пристрій:

• знижує напругу;
• розраховано на номінальний струм у ланцюзі вторинної обмотки до тисяч ампер.

Регулювати зварювальний струм можна зміною числа витків обмоток, задіяних у процесі (вони мають кілька висновків). При цьому змінюється величина індуктивного опору або вторинна напруга холостого ходу. За допомогою додаткових висновків обмотки розбиті на секції, тому регулювання зварювального струму здійснюється східчасто.

Габарити трансформатора багато в чому залежить від частоти змінного струму. Чим вона вища, тим компактнішим вийде пристрій.

Зварювальний трансформатор ТДМ 70-460

На цьому принципі засновано влаштування сучасних інверторних зварювальних апаратів.Вони змінний струм перед подачею на трансформатор піддається обробці:

• випрямляється за допомогою діодного моста;
• в інверторі - керованому мікропроцесором електронному вузлі з ключовими транзисторами, що швидко перемикаються - знову стає змінним, але вже з частотою 60 - 80 кГц.

Тому ці зварювальні апарати такі легкі та невеликі.

Також влаштовані блоки живлення імпульсного типу, наприклад, ПК.

Роздільний трансформатор

У цьому пристрої обов'язково присутня гальванічна розв'язка (немає електричного контакту між первинною та вторинною обмотками), а Кт дорівнює одиниці. Тобто розподільний трансформатор напруга залишає незмінною. Він необхідний підвищення безпеки підключення.

Дотик до струмоведучих елементів обладнання, підключеного до мережі через такий трансформатор, сильного удару струмом не призведе.

У побуті такий спосіб підключення електроприладів доречний у вологих приміщеннях - у ванних кімнатах та ін.

Крім силових трансформаторів, є сигнальні розділові. Вони встановлюються в електроланцюзі для гальванічної розв'язки.

Магнітопроводи

Бувають три види:

1. Стрижневі.Виконані у вигляді стрижня ступінчастого перерізу. Характеристики залишають бажати кращого, зате прості у виконанні.
2. Броневі.Краще стрижневих проводять магнітне поле і також захищають обмотки від механічних впливів. Недолік: висока вартість (потрібно багато сталі).
3. Тороїдальні.Найбільш ефективний різновид: створюють однорідне сконцентроване магнітне поле, чим сприяють зменшенню втрат. Трансформатори з тороїдальним магнітопроводом мають найбільший ККД, але вони дорогі через складність виготовлення.

Потужність

Потужність прийнято позначати у вольт-амперах (ВА). За цією ознакою пристрої класифікуються так:

• малопотужні: менше 100 ВА;
• середньої потужності: кілька сотень ВА;

Існують установки великої потужності, що вимірюється в тисячах ВА.

Трансформатори відрізняються призначенням і характеристиками, але принцип дії у них однаковий: змінне магнітне поле, що генерується однією обмоткою, збуджує другий ЕРС, величина якого залежить від числа витків.

Необхідність у перетворенні напруги виникає дуже часто, тому трансформатори набули найширшого поширення. Цей пристрій можна виготовити самостійно.

Принцип дії трансформатора ґрунтується на знаменитому законі взаємної індукції. Якщо включити в мережу первинну цю обмотку то по цій обмотці почне текти змінний струм. Цей струм буде створювати в осерді змінний магнітний потік. Цей магнітний потік почне пронизувати витки вторинної обмотки трансформатора. На цій обмотці індукуватиметься змінна ЕРС (електрорушійна сила). Якщо підключити (замкнути) вторинну обмотку до якогось приймача електричної енергії (наприклад, до звичайної лампи розжарювання), то під впливом електродвигуна, що індукується, по вторинній обмотці до приймача буде текти електричний змінний струм.

Разом з цим, по первинній обмотці протікатиме струм навантаження. Це означає, що електроенергія трансформуватиметься і передаватиметься з вторинної обмотки в первинну при тій напрузі, на яку розраховане навантаження (тобто приймач електроенергії, підключений до вторинної мережі). Принцип дії трансформатора і заснований на цій простій взаємодії.

Для поліпшення передачі магнітного потоку та посилення магнітного зв'язку намотування трансформатора, як первинна, так і вторинна, поміщається на спеціальний сталевий магнітопровід. Обмотки ізольовані і від магнітопроводу, і один від одного.

Принцип дії трансформатора різний за напругою обмоток. Якщо напруга вторинної і первинної обмоток буде однаково, то дорівнює одиниці, і тоді втрачається сам змил трансформатора як перетворювача напруги в мережі. Поділяють понижуючі та підвищують трансформатори. Якщо первинна напруга буде меншою, ніж вторинне, то такий електричний пристрій називатиметься трансформатором, що підвищує. Якщо ж вторинне менше – то знижуючим. Однак один і той же трансформатор можна використовувати і як підвищуючий, і як знижуючий. Підвищуючий трансформатор використовується для передачі енергії на різні відстані, для транзиту та іншого. Знижувальні використовують переважно для перерозподілу електроенергії між споживачами. Розрахунок зазвичай і проводиться з урахуванням його подальшого застосування як знижувальна напруга або підвищує.

Як мовилося раніше вище, принцип дії трансформатора досить простий. Однак є деякі цікаві деталі у його конструкції.

У трансформаторах триобмотувальних три ізольовані обмотки поміщені на магнітопровід. Такий трансформатор може отримувати дві різні напруги і передавати енергію відразу двом групам приймачів електроенергії. У такому випадку кажуть, що крім обмоток нижчого і триобмотувального трансформатора є і обмотка середньої напруги.

Обмотки трансформатора мають циліндричну форму і повністю ізолюються один від одного. При такій обмотці поперечний переріз стрижня матиме круглу форму зменшення ненамагнічених проміжків. Чим менше таких проміжків, тим менше і маса міді, а отже, маса та вартість трансформатора.

З відкриттям та початком промислового використання електрики виникла необхідність створення систем його перетворення та доставки до споживачів. Так з'явилися трансформатори, про принцип дії яких і йтиметься.

Появі на світ передувало відкриття явища електромагнітної індукції великим англійським фізиком Майклом Фарадеєм майже 200 років тому. Пізніше він та його американський колега Д. Генрі намалювали схему майбутнього трансформатора.

Трансформатор Фарадея

Перше втілення ідеї на залізо відбулося 1848 року із створення індукційної котушки французьким механіком Р. Румкорфом. Свою лепту зробили і російські вчені. У 1872 році професор Московського університету А. Г. Столетов відкрив петлю гістерезису і описав структуру феромагнетика, а через 4 роки, видатний російський винахідник П. Н. Яблочков отримав патент на винахід першого трансформатора змінного струму.

Як влаштований та як працює трансформатор

Трансформатори – це назва величезної «родини», куди входять однофазні, трифазні, що знижують, підвищують, вимірювальні та багато інших типів трансформаторів. Основне їх призначення – перетворення однієї або кількох напруг змінного струму в інше на основі електромагнітної індукції за постійної частоти.

Отже, коротко, як працює найпростіший однофазний трансформатор. Він складається з трьох основних елементів - первинної та вторинної обмоток і об'єднує їх в єдине ціле магнітопроводу, на який вони як би нанизані. Джерело підключається виключно до первинної обмотки, тоді як вторинна знімає і передає вже змінену напругу споживачеві.

Підключена до мережі первинна обмотка створює у магнітопроводі змінне електромагнітне поле і формує магнітний потік, який починає циркулювати між обмотками, індукуючи в них електрорушійну силу (ЕРС). Її величина залежить від кількості витків в обмотках. Наприклад, зниження напруги потрібно, щоб у первинної обмотці витків було більше, ніж у вторинної. Саме за таким принципом працюють знижувальні та підвищуючі трансформатори.

Важлива особливість конструкції трансформатора полягає в тому, що магнітопровід має сталеву структуру, а обмотки, як правило, мають форму циліндра, ізольовані від нього, безпосередньо не пов'язані один з одним і мають своє маркування.

Трансформатори напруги

Це, мабуть, найбільш численний різновид сімейства трансформаторів. У двох словах, їхня основна функція – зробити вироблену на електростанціях енергію доступною для споживання різними пристроями. Для цього існує система передачі електроенергії, що складається з підвищуючих та знижувальних трансформаторних підстанцій та ліній електропередач.

Спочатку електроенергія, вироблена електростанцією, подається на підвищує трансформаторну підстанцію (наприклад, з 12 до 500 кВ). Це необхідно для того, щоб компенсувати неминучі втрати електроенергії під час передачі на великі відстані.

Наступний етап - знижувальна підстанція, звідки електроенергія вже низьковольтної лінії подається на понижувальний трансформатор і далі до споживача у вигляді напруги 220 ст.

Але на цьому робота трансформаторів не закінчується. У більшості побутових електроприладів, що оточують нас, — у ПК, телевізорах, принтерах, пральних машинах-автоматах, холодильниках, мікрохвильових печах, DVD і навіть в енергозберігаючих лампочках встановлені понижуючі трансформатори. Приклад індивідуального «кишенькового» трансформатора – зарядний пристрій для мобільного телефону (смартфону).

Гігантській різноманітності сучасних електронних пристроїв і виконуваних ними функцій відповідає безліч різних типів трансформаторів. Це далеко не повний їх список: силові, імпульсні, зварювальні, розділові, узгоджувальні, обертові, трифазні, пік-трансформатори, трансформатори струму, тороїдальні, стрижневі та броньові.

Які вони, трансформатори майбутнього

Вважається, що трансформаторна галузь дуже консервативна. Проте і їй доводиться зважати на революційні зміни в галузі електротехніки, де все голосніше про себе заявляють нанотехнології. Як і безліч інших пристроїв, вони поступово розумніють.

Активно ведеться пошук нових конструкційних матеріалів – ізоляційних та магнітних, здатних забезпечити більш високу надійність трансформаторного обладнання. Одним із напрямків може стати використання аморфних матеріалів, що значно підвищить його пожежну безпеку та надійність.

З'являться вибухо- та пожежобезпечні трансформатори, в яких хлордифеніли, що використовуються для просочення електроізоляційних матеріалів, будуть замінені нетоксичними рідкими, екологічно безпечними діелектриками.

Прикладом цього є елегазові силові трансформатори, де функцію холодоагенту виконує негорючий елегаз гексафторид сірки замість далеко не безпечної трансформаторної олії.

Питання часу – створення «розумних» електромереж, оснащених напівпровідниковими твердотілими трансформаторами з електронним управлінням, за допомогою яких з'явиться можливість регулювати напругу залежно від потреб споживачів, зокрема, підключати до домашньої мережі відновлювані та промислові джерела живлення, або навпаки відключати зайві, коли в їх немає потреби.

Ще один перспективний напрямок - низькотемпературні надпровідні трансформатори. Робота з їхнього створення розпочалася ще у 60-ті роки. Головна проблема, з якою зіткнулися вчені – величезні розміри кріогенних систем, необхідних виготовлення рідкого гелію. Все змінилося у 1986 році, коли було відкрито надпровідникові високотемпературні матеріали. Завдяки їм з'явилася можливість відмовитися від громіздких охолоджувальних пристроїв.

Надпровідні трансформатори мають унікальну якість: при високій щільності струму втрати в них мінімальні, зате, коли струм досягає критичних значень, опір від нульового рівня різко збільшується.