Трансформатор (преобразовывать, трансформировать) представляет собой электромагнитное устройство статического типа, содержащее две или более обмотки, связанные индуктивно. С помощью метода электромагнитной индукции преобразует переменный ток в постоянный. Состоит из проволочных изолированных или ленточных катушек (обмоток), подвергающихся воздействию магнитного общего потока, намотанных на сердечник из ферромагнитного мягкого материала.
Немного об этапах развития
При производстве трансформаторов используют свойства материалов: металлические, магнитные, неметаллические. Для производства современного оборудования применили свои знания и открытия многие исследователи прошлых лет. А. Г. Столетов выявил петлю гистерезиса и особенную структуру ферромагнитного сплава. Теорию электромагнитных цепей разработали Братья Гопкинсоны.
Электромагнитная индукция открыта М. Фарадеем, это явление заложено в основу действия трансформатора. Схема первого трансформатора впервые появилась в работах Генри и Фарадея в 1831 году. Но ученые тогда еще не рассматривали прибор в качестве преобразователя переменного тока.
Француз-механик в 1848 году запатентовал индукционную катушку, которая стала прообразом трансформатора. В 1876 году впервые изобрел трансформатор Яблочков П. Н. , прибор представлял собой стержень с несколькими обмотками. Трансформаторы, имеющие замкнутые сердечники, были сконструированы братьями Гопкинсами в 1884 году.
С применением масляного охлаждения прибор стал выполнять свои функции более надежно. Устройство помещалось в сосуды из керамики с маслом, это вело к повышению надежности обмоток. Русский изобретатель механик Доливо-Добровольский М. О. сконструировал первый трехфазный двигатель асинхронного типа, трехфазную систему переменного тока и впервые сделал трёхфазный трансформатор с мощностью 230 КВт, работающий от напряжения 5 В.
Силовые трансформаторы начали выпускать в 1928 году с открытием Московского завода трансформаторов. В начале 1900 годов английский металлург сделал первую тонну трансформаторной стали для производства сердечников. А в начале 30-х годов XX века отмечено появление магнитного насыщения на 50%, уменьшение потерь на гистерезис в 4 раза, возрастание магнитной проницаемости в 5 раз при комбинированном применении нагревания и прокатки.
Виды трансформаторов
Автотрансформатор
Это вариант трансформатора, принцип работы которого заключается в соединении вторичной и первичной обмотки напрямую, в обмотках прослеживается электрическая и электромагнитная связь. Для подключения и получения различного напряжения в обмотке предусмотрено несколько выводов. Этот вид приборов работает с высоким коэффициентом полезного действия, так как преобразовывается только некоторая часть мощности, что важно при небольшой разнице входного и выходного напряжения.
К отрицательным характеристикам относится отсутствие гальванической развязки (изолирующего слоя) между вторичной и первичной цепью. Используют автотрансформаторы на месте обычных агрегатов для соединения заземленных контуров с показателями напряжения от 110 КВт, при этом коэффициент трансформации не должен превышать показание 3−4.
Положительным является низкая стоимость из-за меньшего веса сердечнниковой стали, медных проводов, отсюда маленькая масса прибора и небольшие габариты.
Силовой
Обычный стандартный прибор для преобразования электричества в сетях и устройствах, принимающих и использующих электрическую энергию.
Трансформатор тока
Принцип работы и устройство трансформатора заключается в подаче питания от источника электричества. Наиболее актуальным является использование для снижения первичных показателей тока до величины, применяемой в измерительных и защитных цепях, сигнализации и управления. Во вторичной обмотке отмечаются показатели тока 5 А или 1 А. Измерительные устройства подключаются к вторичной обмотке, а к первичной подключается цепь, в которой измеряют ток. Для расчета тока во второй обмотке используют показания в первичной обмотке и делят на коэффициент трансформации.
Трансформатор напряжения
Это прибор для преобразования больших показателей напряжения в низкие значения в стандартных цепях, измерительных линиях, и контурах РЗиА. Устройство питается от источника электрического напряжения, изолирует логические защитные контуры и измерительные цепи от цепи с высокими показателями напряжения.
Импульсного действия
Прибор используется для преобразования сигналов импульса с минимальным искажением формы и длительностью до десятков микросекунд. В основном применяется для передачи импульса прямоугольного типа (наиболее крутой срез и фронт, примерно постоянное колебание амплитуды). Служит для преобразования коротких видеоимпульсов, постоянно повторяющихся, основной задачей является передача трансформируемых импульсов в первоначальном и неискаженном виде. На выходе обмоток требуется получить ту же форму импульса напряжения, но иногда меняется полярность или амплитуда.
Разделительный тип
У этого прибора первичная и вторичная обмотки никак не связаны. Трансформатор используется для увеличения безопасного подключения к электрическим сетям, для случаев одновременного прикасания к токоведущим деталям и земле. Защищает от одновременного прикасания к деталям, которые не находятся под действием тока, но могут под ним оказаться в результате нарушения изоляции. Агрегаты призваны обеспечить гальваническую развязку (изоляцию) электрических цепей.
Пик-трансформатор
Служит для преобразования синусоидального тока в импульсное напряжение с полярностью, меняющейся через каждые полпериода.
Сдвоенный дроссель
Индуктивный встречный фильтр или сдвоенный дроссель представляет собой тип устройства с использованием двух обмоток. Из-за взаимной катушечной индукции он действует эффективнее, чем одинарный дроссель. Используется в качестве входного фильтровального приспособления перед блоками питания, в сигнальных дифференциальных цифровых контурах и в технике со звуком.
Броневой трехфазный
Выпускают две различных базовых конструкции:
- стержневую;
- броневую.
Обе конструкции не изменяют эксплуатационные качества и надежность прибора, но при изготовлении имеются существенные различия:
- стержневой тип включает сердечник и обмотки, при взгляде на конструкцию сердечник скрыт за обмотками, видно только нижнее и верхнее ярмо, ось обмоток имеет вертикальное расположение;
- броневой вид прибора включает сердечник в виде обмоток, при этом видно, что сердечник скрывает за собой часть обмоток трансформатора, ось обмоток может располагаться в вертикальном или горизонтальном положении.
Основные составляющие
В их качестве вступают:
- магнитная система (сердечник, магнитопровод);
- обмотки;
- охладительная система.
Магнитная система
Состоит из элементов в комплекте, чаще всего применяются пластины из ферромагнитного материала или электротехнических сталей, которые компонуются в определенной геометрической форме. Ее выбор определяется локализацией в ней основного трансформаторного магнитного поля. Система магнитного воздействия одновременно со всеми узлами, элементами и деталями для соединения частей в общую конструкцию, носит название остова трансформатора.
Часть магнитной системы, включающая основные обмотки, называется стержнем. Другая часть магнитного комплекта, на которой нет рабочих обмоток, и она служит для соединения магнитной цепи, имеет наименование ярмо. В зависимости от того, как расположены стержни, подразделяют:
- плоская система, где продольные стержни и ярма расположены в одной плоскости;
- пространственная система включает разно плоскостное расположение сердечников и ярм;
- симметричная система отличается одинаковой формой и длиной стержней, а их расположение по отношению к ярмам является стандартным для всех элементов;
- несимметричная система, в ней все стержни различаются по форме и размеру, а их расположение не отличается симметрией и отлично от других элементов.
Обмотки
Основным конструктивным элементом обмотки служит виток, являющийся рядом параллельных соединенных проводников (в многопроволочном варианте жилы), один раз охватывающий часть магнитного сердечника. Ток витка совместно с током других витков, проводников и частей трансформатора продуцирует магнитное трансформаторно поле, в котором наводится под действием магнитного поля сила, движущая ток.
Обмоткой называется общее число витков, образующих электрический контур для суммирования ЭДС в витках. Трехфазный трансформатор имеет в конструкции комплект обмоток из трех рабочих фаз. Проводник обычно квадратного сечения, чтобы увеличить площадь его делят на два или несколько проводящих стержня. Этот прием помогает снизить вихревые токи и облегчить работу обмотки. Квадратный проводник называется жилой. В качестве обмотки используется транспонированный кабель.
Изоляцию делают бумажной обмоткой или лаком на эмалевой основе. Две параллельные жилы могут выполняться в единой изоляции, такой комплект называется кабелем. Чтобы понять, как работает трансформатор, нужно знать разделение обмоток по типам. В зависимости от назначения обмотки бывают:
- основные, те, что принимают преобразованную энергию или отводят переменный ток;
- регулирующие предусмотрены для нормализации коэффициента напряжения при небольших показаниях тока в обмотках;
- вспомогательные предназначены для электрического снабжения собственных нужд меньшей мощности, чем номинальная трансформаторная мощность, подмагничивания магнитной системы током постоянного значения.
В зависимости от варианта исполнения обмотки делят:
- рядовые — витки делаются по всей длине в направлении оси, последующие витки наматывают плотно, без пробелов;
- винтовые — имеют многослойное наложение, предусмотрены расстояния между витками или заходами обмотки;
- дисковые обмотки содержат последовательно соединенные диски, при этом в центр каждого наматывается обмотка в форме спирали;
- фольговый вид обмотки выполнен из листа алюминия или меди, разной толщины.
Бак для охлаждения
Представляет собой масляный резервуар, обеспечивает защиту активного ингредиента, служит опорой для приборов управления и вспомогательных приборов. Перед добавлением масла в баке выкачивают воздух для безопасной диэлектрической прочности изоляции. При изготовлении звуковые частоты от сердечника трансформатора и от элементов бака должны совпадать.
Конструкция предусматривает дополнительные параметры для расширения масла в условиях нагревания, иногда это дополнительный расширительный бак. Если увеличивается номинальная мощность трансформатора, то токи внутри и снаружи ведут к перегреву конструкции. Аналогично действует магнитный рассеянный поток внутри бака. Чтобы снизить отрицательное воздействие делают вставки из немагнитных материалов, окружая ими проходные сильноточные изоляторы.
Применение трансформаторов
Так как потери для нагревания провода пропорциональны силе тока в квадрате, идущему по этому проводу, то при передаче электричества на длинные расстояния следует применять высокое напряжение при низкой силе тока. Из-за обеспечения безопасности в бытовых условиях не применяют слишком высокое напряжение. Для регулировки напряжения в сети используют трансформаторы, которые повышают напряжение перед передачей по высоковольтным линиям, затем снижение показателей перед потребительским применением.
Для питания различных узлов приема электроэнергии требуются разнообразные показатели напряжения (в телевизоре, компьютере). В прошлых периодах трансформатор был тяжелым и громоздким, но с увеличением частоты переменного тока размеры прибора можно уменьшить. Поэтому в современных устройствах сначала выпрямляют электрический ток, затем его преобразуют в импульсы с высокой частотой. Последние токи идут на импульсный трансформатор для трансформации в нужное напряжение.
