В 1831 году английский физик Майкл Фарадей обнаружил событие электромагнитной индукции. Оно и легло в основу работы электрического преобразователя. При выполнении исследований в сфере электричества Фарадей изложил в своих записях опыт, в котором он накрутил на железное кольцо окружностью пятнадцать сантиметров и толщиной два сантиметра две медных проволоки длиной пятнадцать и восемнадцать сантиметров.
История появления трансформатора
Изображение будущего трансформатора на схеме впервые обнаружили 1831 году в работах М. Фарадея и Д. Генри. Позже Г. Румкорф придумал индукционную катушку особой конструкции, которая являлась, по сути, первым трансформатором.
Братья Гопкинсон создали теорию электромагнитных цепей. Они первыми научились рассчитывать магнитоцепи. Но они не понимали одного: этот прибор имеет свойство изменения напряжения и тока, а именно изменения переменного тока в постоянный, что и делает трансформатор. Эптон, помощник Эдисона, порекомендовал делать сердечники наборными, из отдельных листов металла, чтобы вихревые токи были локализированы.
Охлаждение при помощи масла повлияло на надежную работу преобразователя в лучшую сторону. Свинберн опускал трансформатор в керамический сосуд, наполненный маслом, что в разы повышало надёжность изоляционной обмотки.
В 1928 году было начато производство силовых трансформаторов в СССР, на Московском трансформаторном заводе. В начале 1900-х ученый-металлург Р. Хедфилд на основе своих опытов выяснил, что разнообразные добавки влияют на свойства железа. В ходе дальнейших экспериментов он разработал первый пробник стали, в состав которой входил кремний. Следующим шагом в процессе производства сердечников было установление того факта, что при смешанном воздействии прокатки и нагревания у стали, содержащей кремний, появляются элементарные новые магнитные свойства: магнитное обогащение возросло на 50 %, траты на гистерезис уменьшились в 4 раза, а магнитное проникание увеличилось в 5 раз.
Назначение и применение
Трансформатор - это статический электромагнитный преобразователь с двумя или больше неподвижными обмотками, который предназначен для преобразования с помощью электромагнитной индукции параметров электрических величин. Трансформаторы применяются в энергетических системах при передаче электроэнергии от электрической станции к потребителю и в разнообразных электроустановках для получения напряжений нужной величины.
В данной статье приведен пример простого трансформатора небольшой мощности, который часто применяется в устройствах автоматики, измерительно--вычислительной технике, различных приборах.
Устройство трансформатора
Рис. 1 Электромагнитная схема трансформатора однофазного в режиме работы.
Первичная и вторичная обмотка
Трансформатор имеет две обмотки:
- первичную (I) - к которой мы подводим электрическую энергию;
- вторичную (II) - к которой мы прикрепляем электроприемник.
Может быть высокого (в.н.) и низкого (н.н.) напряжения
В случае когда вторичное напряжение менее первичного, трансформатор понижающий преобразует электроэнергию с 380 В до 220 В, если происходит наоборот, тогда трансформатор повышающий.
Давайте подробнее разберём, что делает и как устроен трансформатор, изображённый на рисунке 1.
Принцип работы
На обмотку возбуждения подаём переменное напряжение U1, так как обмотка возбуждения обладает сопротивлением, создаётся электрический ток. Ток, проходя по виткам, наводит магнитодвижущую силу, а магнитодвижущая сила наводит магнитный поток. Магнитный поток идет по сердечнику, проходя все витки первичной и вторичной обмоток. В этом случае магнитный поток (Фт) является основным, т. е. рабочим. Вторая (меньшая) часть потока замыкается при помощи воздуха, проходя только через витки первичной обмотки, и является потоком рассеивания Фs1.
Если вторичная цепь (питаемая от вторичной (II) обмотки) разомкнута, то, естественно, ток отсутствует, нет возможности образования магнитного поля. Но вот мы замкнули (II) цепь, по ней пошёл ток. Значит, образуется магнитное поле, которое, в свою очередь, создаёт два магнитных потока:
- 1 поток — в сердечник;
- 2 поток — замыкается по воздуху.
Это означает, что вокруг (II) обмотки тоже наводится поток рассеивания. Потоки рассеивания подобны магнитному потоку самоиндукции, создающему ток в той или иной катушке индуктивности и различном проводе. Потоки являются вредными. В применении правила электромагнитной индукции при изменении главного магнитного потока наводится ЭДСв (I) Е1 и во (II) Е2 обмотках.
Так как по (I) спирали с числом витков w1 и по (II) спирали с числом витков w2 проходит один и тот же основной поток, то, следовательно, в каждом витке обеих спиралей наводится равная по значению ЭДСе. Таким образом, Es1 = ew1 и Еs2 = ew2, из этого следует, что К — коэффициент изменения трансформатора.
Поток рассеивания наводит электродвижущая сила рассеивания в первичной обмотке Es 1. Значит, напряжение, подведённое к (I) обмотке трансформатора U1, должно соответствовать падению напряжения в действующем сопротивлении I1 r1 (I) обмотки,электродвижущая сила Esl рассеивания и ЭДС E1 главного потока.
При разъединенной (II) цепи, Es 1 и I1 r1 ничтожно малы, значит, электродвижущая сила Е1, наведённая в (I) обмотке, в полном объёме оправдывает приложенное напряжение U1. При размыкании (II) цепи ЭДС Е2 электрический ток перестаёт поступать, но если замкнуть (II) обмотку,подключив электроприемники, то под воздействием (II) ЭДС по (II) цепи пойдёт ток, подходящая к трансформатору (I) мощность изменяется во (II) и применяется для приёмников электроэнергии.
Если не брать во внимание потери, можно принять, что подходящая мощность E1 I1 почти равна (II) мощности Е2 I2 (I1 и I2 — (I) и (II) токи трансформатора). То есть при изменении (I) и (II) токи примерно обратно пропорциональны числам соответствующих обмоток. (II) ток I2, протекая по спирали, создаёт ампер-спираль I2 w2 , проходящие в той же цепи трансформатора, что и ампер-витки (I) спирали. Значит, при нагрузке главный электромагнитный поток будет ориентироваться на совместное действие ампер-витков l1 w1 (I) и ампер-витков I2 w2 (II) обмоток.
По закону Джоуля-Ленца электроиндукционный во второстепенной обмотке ток сосредоточен так, что тормозит изменение электромагнитного потокосцепления. Перемена электромагнитного потока провоцируется первичными ампер-витками l1 w1. Необходимо протекание II тока в таком направлении, чтобы образовавшиеся ампер -- спирали работали в противоположную сторону от I обмотки. Падение главного магнитного потока из-за потери магнитного действия II ампер -- спиралей спровоцирует упадок индукционной и электродвижущей силы в I обмотке.
В случае когда напряжение, поступающее к клемам I обмотки, постоянное, при падении оно не выравнивает напряжение, из-за этого ток возрастает до параметров, при которых возобновляется равенство напряжений. При этом главный магнитный поток обязан сохранять параметры, равные величине главного потока при свободном ходе. При любых нагрузках преобразователя напряжение U1 должно соответствовать электродвижущей силе Е1 (понижение напряжения в I обмотке игнорируем).
Необходимо, чтобы главный электромагнитный поток Фт оставался постоянным при различной нагрузке трансформатора. Ток I1 в (I) обмотке должен компенсировать воздействие ампер-витков, возникающих при токе I2 во (II) обмотке. Напряжение на клеммах (I) обмотки всегда менее ЭДС Е2 в результате уменьшения напряжения в активном и реактивном противодействиях вторичной обмотки.
Классификация и разновидности
Трансформаторы бывают с содержанием масла и без масла — сухие. В содержащих масло приборах рабочая часть (обмотка и магнитная система) находится в баке, наполненном трансформаторной жидкостью. Рабочая часть сухих трансформаторов остывает при помощи окружающего воздуха. Масштаб мощностей энергосиловых масляных - от 10 кВА до 630 тысяч кВА, сухих - от единиц ВА до 1600 кВА.
Силовые однофазные трансформаторы мощностью 4 кВА и меньше и трехфазные - 5 кВА и меньше имеют отношение к устройствам малой мощности. Они часто используются в трансформационной, домашней технике, радиоэлектронной аппаратуре.
Маркировки масляных устройств
- ТМ - масляный, трехфазный;
- О - имеет одну фазу;
- Н - есть возможность управления напряжением при работе;
- Р - наличие раздельной обмотки;
- Д - охлаждение с выдуванием при помощи масла (обдув теплообменников трансформатора вентиляторами);
- Ц - вращающееся охлаждение масла с помощью его вывода из бака и охлаждения воздухом или водой.
Далее пишут цифры, которые обозначают мощность и первое напряжение.
Допустим: ТМ - 1000/10 - трансформатор, работающий на масле, мощностью (P) 1 тыс. кВА, 10 кВ. Сухие трансформаторы обозначаются:
- ТСЗ - трансформатор имеет три фазы, сухой, защищённый. Они выпускаются в маштабе мощностей от 10 до 1600 кВА;
- ВН (высокое напряжение) - 380, 500, 660, 10 тыс. В;
- НН (низкого напряжения) - 230 и 400 В.
Приборы маленькой мощности поступают в продажу, имея большое количество серий, типов и размеров. С силовыми очень часто прилагаются трансформаторы, измеряющие ток и напряжение. При помощи трансформаторов тока можно обеспечить безопасную работу цепей релейной защиты и определить любой объем тока специальными приборами. Их паспортный вторичный ток 1 и 5 А.
Первичный ток - в диапазоне от 5 А до 24000 А при напряженной работе данной сети от 0,4 до 24 кВ. Трансформаторы, работающие на ток и напряжение, производятся серийно 35, 110, 220, 330, 500, 750 кВ.
Основные обозначения:
- Т - трансформатор тока;
- П - проходящий;
- Л - цельная изоляция на базе смол;
- М - мало занимающий место;
- О - односпиралевый;
- Н - навесной;
- Ш - с применением шины;
- У - мощный;
- К - встраиваемый в комплексные трансформаторные станции.
ТН применяются в цепях непостоянного тока напряжением от 0,4 до 1150 кВ для питания определяющих приборов и цепей релейной защиты. ТН до 35 кВ инклюзивно применяются в сетях с защищённой нейтралью. Класс надёжности 0,5; 1 и 3 соответствует самой большой погрешности в % измеряемого паспортного напряжения 0,5%; 1%; 3%.
ТН делятся на сухие и масляные. Обозначения ТН:
Н - трансформатор напряжения;- О - однофазный;
- С - сухого исполнения;
- М - масляным охлаждением;
- З - заземление выводом первичной обмотки;
- К - компенсацией угловой погрешности трансформатора;
- Л - исполнение с литой изоляцией;
- Э - для установки на экскаваторах.
Трансформаторы типа НОС, НОЛ, ЗНОЛ - сухие , НОМ, НОМЭ, НТМК, НТМИ, ЗНОМ - масляные природным охлаждением.
