Как работает трансформатор, его принцип действия и устройство на простом языке.

 

 

 

Тема: пояснение работы и устройства силового трансформатора электрического.

 

Обычный силовой трансформатор является достаточно важным и распространенным электротехническим устройством. Он позволяет преобразовывать напряжение и ток в нужные величины. Конструктивно он прост, имеется магнитный сердечник определенной формы, на который наматываются обмотки изолированного провода (медный, чаще всего). Эти обмотки делятся на первичную (входную) и вторичную (выходная). Их может быть не две (входная и выходная), а более двух (несколько входных и выходных) в зависимости от конкретного назначения силового трансформатора.

 

В основе работы любого трансформатора заложен один простой принцип, точнее электро физическое явление — это электромагнитная индукция. Что это такое? Все очень просто! Электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц (в твердых телах это электроны. а в жидких и газообразных это ионы). При движении заряда по проводнику вокруг него образуется магнитное поле (именно движущегося заряда, вокруг недвижущегося имеется только электрическое поле). Магнитное поле также существует вокруг постоянных магнитов. Так вот, если взять кусок изолированного провода, намотать из него катушку, подсоединить к концам этой катушки вольтметр, после чего быстро провести возле катушки магнитом, то мы на вольтметре увидим скачок электрического напряжения. Получается, что если постоянно воздействовать на катушку магнитным полем (движущемся), то можно из нее получить некий источник или преобразователь электрической энергии.

 

В трансформаторе одна катушка (первичная, входная) выполняет роль источника магнитного поля. Стоит учесть, что магнитное поле должно быть обязательно переменным (постоянно меняющееся в направлении и величине). На эту входную катушку подается переменное напряжение определенной величины (то, на которую рассчитана эта катушка, чтобы основная часть электрической энергии тратилось именно на создание магнитного поля, и лишь минимальная его часть тратилась на выделение тепла, это неизбежные потери).

 

 

 

 

В результате вокруг этой входной катушки образуется переменное магнитное поле, которое по сердечнику передается на вторую катушку. Как было сказано выше, если воздействовать на проводник переменным магнитным полем, на нем индуцируется электродвижущая сила (ЭДС). То есть, на выходной катушке появляется напряжение. Вот и получаем простой электромагнитный преобразователь электрической энергии.

 

 

Материал сердечника трансформатора подбирается так, чтобы он максимально хорошо проводил через себя электромагнитные поля, усиливая их. В итоге мы имеем несколько цепей. Первая — электрическая, которая образована движением зарядов по первичной обмотке. Она вокруг себя образовывает магнитное поле, которое замыкается по контуру магнитного сердечника, и это вторая цепь (электромагнитная, смещена на 90 градусов). Ну, а третья цепь опять электрическая, которая образована вторичной обмоткой (где индуцируется напряжение) и подключенной к ней нагрузкой (она также смещена на 90 градусов относительно магнитной цепи).

 

От количества витков на катушке зависит напряжение, а от сечения провода этой катушки зависит сила тока. То есть, если первичная и вторичная катушка будут иметь одинаковое количество витков — выходное напряжение будет такое же как и входное. Если вторичную обмотку намотать в два раза больше (по количеству витков), то и выходное напряжение увеличится вдвое (относительно входного). От диаметра провода катушки зависит выходной ток. При большой нагрузке и слишком малом сечении провода будет происходит нагрев катушки, что может привести к перегреву, повреждению изоляции и выходу из строя трансформатора.

 

Существуют специальные таблицы, в которых указаны нужные сечения проводов с учетом определенной плотности тока в них. При расчете трансформатора и выборе сечения провода под нужный выходной ток необходимо брать данные с этих таблиц.

 

 

Что касается магнитопровода, который замыкает магнитные поля на себе. Чем лучше материал магнитопровода проводит через себя электромагнитные поля, тем выше коэффициент полезного действия трансформатора. Следовательно, существуют специальные сплавы, имеющие лучшие электромагнитные характеристики, которые и используют в сердечнике трансформаторов. Помимо этого в трансформаторе не должны быть зазоров между частями магнитопровода (на пути течения магнитного поля). Только лишь при полной замкнутости магнитопровода можно получить минимальные потери при трансформации электрической энергии.

 

Работа трансформатора также зависит от частоты тока, который подается на входную обмотку. Чем выше частота тока, тем лучше происходит трансформация энергии. То есть, с повышением частоты будут уменьшаться размеры трансформатора при тех же выходных мощностях. Если взять обычный трансформатор, который рассчитан на сетевое напряжение стандартной частоты в 50 герц, то он по размерам будет значительно больше того, который будет работать на килогерцовых частотах. Но там уже и магнитопровод используется из других ферромагнитных материалов.

 

Более короче работу трансформатора можно выразить так — на входную обмотку подается переменное напряжение (которое должно быть изначально рассчитано), в катушке начинает течь переменный ток, который образовывает переменное магнитное поле вокруг себя. Это магнитное поле начинает протекать по магнитопроводу сердечника трансформатора проходя также через выходную катушку. В результате на этой выходной обмотке образуется переменное напряжение, величина которого зависит от количества витков катушек. При подключении нагрузки к выходной обмотки мы получаем течение переменного тока в выходной цепи.

 

P.S. В нынешнее время все чаще стали использовать электрические схемы, где для источников питания делается специальный модуль, работающий на более высоких частотах, отличных от стандартных 50 герц. То есть, если раньше повсеместно для блоков питания использовали обычные силовые трансформаторы, имеющие железный магнитопровод, рассчитанный на сетевую частоту, имеющие только выпрямительный диодный мост и фильтрующий конденсатор электролит, то сейчас схемы блоков питания более сложнее. Они уже содержать выпрямитель, фильтр, электронный преобразователь напряжения и частоты (на транзисторах, микросхемах), стабилизатор, обратную связь (гальваническую развязку) и т.д. Размеры, масса и выходные характеристики таких источников питания гораздо выше, чем у их предшественников (обычных силовых трансформаторов). Хотя по надежности все же классический вариант блоков питания будет получше.

 

Устройство и принцип действия трансформатора

С открытием и началом промышленного использования электричества возникла необходимость создания систем его преобразования и доставки к потребителям. Так появились трансформаторы, о принципе действия которых и пойдет речь.

Появлению их на свет предшествовало открытие явления электромагнитной индукции великим английским физиком Майклом Фарадеем почти 200 лет назад. Позже он и его американский коллега Д. Генри нарисовали схему будущего трансформатора.

Трансформатор Фарадея

Первое воплощение идеи в железо состоялось в 1848 году с создания индукционной катушки французским механиком Г. Румкорфом. Свою лепту внесли и российские ученые. В 1872 году профессор Московского университета А. Г. Столетов открыл петлю гистерезиса и описал структуру ферромагнетика, а 4 года спустя, выдающийся российский изобретатель П. Н. Яблочков получил патент на изобретение первого трансформатора переменного тока.

Как устроен и как работает трансформатор

Трансформаторы – это название огромного «семейства», куда входят однофазные, трехфазные, понижающие, повышающие, измерительные и множество других типов трансформаторов. Основное их назначение – преобразование одного или нескольких напряжений переменного тока в другое на основе электромагнитной индукции при неизменной частоте.

Итак, кратко, как работает простейший однофазный трансформатор. Он состоит из трех основных элементов – первичной и вторичной обмоток и объединяющего их в единое целое магнитопровода, на который они как бы нанизаны. Источник подключается исключительно к первичной обмотке, в то время, как вторичная снимает и передает уже измененное напряжение потребителю.

Принцип работы трансформатора

Подключенная к сети первичная обмотка создает в магнитопроводе переменное электромагнитное поле и формирует магнитный поток, который начинает циркулировать между обмотками, индуцируя в них электродвижущую силу (ЭДС). Ее величина зависит от числа витков в обмотках. К примеру, для понижения напряжения необходимо, чтобы в первичной обмотке витков было больше, чем во вторичной. Именно по такому принципу работают понижающие и повышающие трансформаторы.

Важная особенность конструкции трансформатора состоит в том, что магнитопровод имеет стальную структуру, а обмотки, как правило имеющие форму цилиндра, изолированы от него, непосредственно не связаны друг с другом и имеют свою маркировку.

Трансформаторы напряжения

Это, пожалуй, наиболее многочисленная разновидность семейства трансформаторов. В двух словах, их основная функция – сделать произведенную на электростанциях энергию доступной для потребления различными устройствами. Для этого существует система передачи электроэнергии, состоящая из повышающих и понижающих трансформаторных подстанций и линий электропередач.

Вначале электроэнергия, произведенная электростанцией, подается на повышающую трансформаторную подстанцию (к примеру, с 12 до 500 кВ). Это необходимо для того, чтобы компенсировать неизбежные потери электроэнергии при передаче на большие расстояния.

Следующий этап – понижающая подстанция, откуда электроэнергия уже по низковольтной линии подается на понижающий трансформатор и далее к потребителю в виде напряжения 220 в.

Но на этом работа трансформаторов не заканчивается. В большинстве окружающих нас бытовых электроприборов — в ПК, телевизорах, принтерах, стиральных машинах-автоматах, холодильниках, микроволновых печах, DVD и даже в энергосберегающих лампочках установлены понижающие трансформаторы. Пример индивидуального «карманного» трансформатора – зарядное устройство мобильного телефона (смартфона).

Гигантскому разнообразию современных электронных устройств и выполняемых ими функций соответствует множество различных типов трансформаторов. Это далеко не полный их список: силовые, импульсные, сварочные, разделительные, согласующие, вращающиеся, трехфазные, пик-трансформаторы, трансформаторы тока, тороидальные, стержневые и броневые.

Какие они, трансформаторы будущего

Считается, что трансформаторная отрасль весьма консервативна. Тем не менее и ей приходится считаться с революционными изменениями в области электротехники, где все громче о себе заявляют нанотехнологии. Как и множество других устройств, они постепенно «умнеют».

Элегазовые трансформаторы

Активно ведется поиск новых конструкционных материалов – изоляционных и магнитных, способных обеспечить более высокую надежность трансформаторного оборудования. Одним из направлений может стать использование аморфных материалов, что значительно повысит его пожарную безопасность и надежность.

Появятся взрыво- и пожаробезопасные трансформаторы, в которых хлордифенилы, используемые для пропитки электроизоляционных материалов, будут заменены нетоксичными жидкими, экологически безопасными диэлектриками.

Элегазовые трансформаторы

Примером тому — элегазовые силовые трансформаторы, где функцию хладагента выполняет негорючий элегаз гексафторид серы, вместо далеко не безопасного трансформаторного масла.

Вопрос времени – создание «умных» электросетей, оснащенных полупроводниковыми твердотельными трансформаторами с электронным управлением, с помощью которых появится возможность регулировать напряжение в зависимости от потребностей потребителей, в частности, подключать к домашней сети возобновляемые и промышленные источники питания, или наоборот отключать лишние, когда в них нет необходимости.

Еще одно перспективное направление – низкотемпературные сверхпроводимые трансформаторы. Работа по их созданию началась еще в 60-е годы. Главная проблема, с которой столкнулись ученые – огромные размеры криогенных систем, необходимых для изготовления жидкого гелия. Все изменилось в 1986 году, когда были открыты сверхпроводниковые высокотемпературные материалы. Благодаря им, появилась возможность отказаться от громоздких охлаждающих устройств.

Трансформатор с полупроводниковым преобразователем

Сверхпроводимые трансформаторы обладают уникальным качеством: при высокой плотности тока потери в них минимальны, зато, когда ток достигает критических значений, сопротивление от нулевого уровня резко увеличивается.

принцип работы, назначение и схемы включения

Трансформатором тока(ТН, TV) – называют электротехническое устройство, изменяющее величину выходного значения электротока в процессе передачи с первичной на вторичную обмотку. В результате пропуска через трансформатор, электрический ток передаётся из одной системы в другую, пропорционально изменяясь, в зависимости от поставленной задачи.

Высоковольтный ТТ(слева) и низковольтный ТТ(справа)

Особенности конструкции и принцип работы

Принцип работы трансформаторов тока основан на использовании закона электромагнитной индукции.

Прибор состоит из следующих элементов:

• первичной и вторичной обмоток;
• замкнутого сердечника (магнитопровода).

Принцип работы трансформатора

Обмотки накручены вокруг сердечника, изолированно от него и друг от друга. Иногда первичная обмотка может заменяться медной или алюминиевой шиной. Трансформация величины электрического тока происходит за счёт разницы количества витков первичной и вторичной обмоток. В большинстве случаев устройство предназначено для снижения показателя тока, поэтому вторичная обмотка выполняется с меньшим количеством витков, нежели первичная.

Электроток подаётся на первичную обмотку при последовательном подключении. В результате на катушке формируется магнитный поток и наводится электродвижущая сила, вызывающая возникновение тока на выходной катушке.

К выходной обмотке подключают потребляющий прибор, в зависимости от целей, для которых используется устройство.

Некоторые устройства выполняются с несколькими выходными катушками, что позволяет путём переключения изменять величину трансформации электрического тока. В целях безопасности, для обеспечения защиты при пробое изоляции, выходной контур заземляется.

Виды трансформаторов тока

Данные электротехнические устройства классифицируются по нескольким характеристикам. В зависимости от назначения токовые трансформаторы могут быть:

• защитными – снижающими параметры тока для предотвращения выхода из строя потребляющих устройств;
• измерительными – через которые подключаются средства измерения, в том числе электросчётчики;
• промежуточными – устанавливаемыми в системы релейной защиты;
• лабораторными – используемыми для исследовательских целей, обладающими низкой погрешностью измерения, нередко – с несколькими коэффициентами трансформации.

Учитывая характер условий эксплуатации, различают трансформаторы:

• для наружной установки – защищённые от воздействия атмосферных факторов, которые можно использовать на открытом воздухе;

  Три трансформатора тока для 3-х фаз(А, B? C)

• внутренние – применяемые внутри помещений;

  ТТ для установки внутри помещений

• встроенные – расположенные внутри электрических приборов и являющиеся их составной частью(3 ТА для каждой фазы показаны стрелкой).

  Встроенные ТТ

В зависимости от исполнения первичных обмоток различают устройства:

• одновиткового исполнения;
• многовитковые;
• шинные.

С учётом способа установки их подразделяют на следующие типы:

• проходной;
• опорный.

По числу ступеней изменения тока выделяют трансформаторы:

• одноступенчатого,
• двухступенчатого (каскадного) типа.

Устройства, в зависимости от величины напряжения, на которое они рассчитаны делят на предназначенные для работы в условиях более и менее 1000 В.

Для изготовления сердечника применяется специальная трансформаторная сталь. Изоляция выполняется сухой (бакелитовой, фарфоровой), обычной или бумажно-масляной.

Расшифровка маркировки

Расшифровка маркировки трансформаторов тока

Технические параметры

Трансформаторы тока характеризуются следующими индивидуальными параметрами:

1. Номинальным током – позволяющим аппарату функционировать длительное время, не перегреваясь;
2. Номинальным напряжением – значение должно обеспечивать нормальную работу трансформатора. Именно этот показатель влияет на качество изоляции между обмотками, одна из которых находится под высоким напряжением, а другая заземлена.
3. Коэффициентом трансформации; Формула по вычислению коэффициента трансформации

   где:

   • U1 и U2 – напряжение в первичной и вторичной обмотки,
   • N1 и N2 – количество витков в первичной и вторичной обмотке,
   • I1 и I2 – ток в первичной и вторичной обмотки(обычно ток во вторичной обмотке равен 1А или 5А).
4. Погрешностью значения электротока – вызывается намагничиванием;
5. Номинальной нагрузкой, определяющей нормальную работу прибора;
6. Номинальной предельной кратностью – максимально допустимое значение отношения первичного значения электротока к номинальному;
7. Предельной кратностью вторичного тока – соотношение наибольшего тока вторичной обмотки к его номинальной величине.

Значения которыми могут обладать ТТ

При выборе устройства необходимо учитывать значение указанных и других характеристик.

Схемы подключения трансформаторов тока

Силового оборудования

Схема подключения для 110 кВ и выше:

Схема подключения для 6-10 кВ в ячейках КРУ:

Вторичные цепи

Схема включение трансформатора тока в полную звезду:

Схема включение трансформатора тока в неполную звезду(З а счет распределения токов на дополнительном приборе получается отобразить векторную сумму фаз А и С, которая противоположно направлена вектору фазы В при симметричном режиме нагрузки сети):

Схема включение трансформатора тока в неполную звезду(для контроля линейного тока с помощью реле):

Схема включение трансформатора тока в полную звезду с подключением обмотки реле к фильтру нулевой последовательности(ФТНП):

Популярные виды и стоимость трансформаторов

Бытового потребителя больше интересуют токовые трансформаторы, используемые для подключения электросчётчиков. В продаже предлагаются приборы типов:

• ТТИ;
• ТТН;
• ТОП;
• ТОЛ и другие.

Цена зависит от разновидности, конструкции, характеристик и напряжений на котором будет использоваться ТН:

• 0,66 кВ от 300 – 5000,
• 6-10 кВ 10000 – 45000,
• 35 кВ – около 50 000р,
• 110 кВ и выше – нужно уточнять у производителя.

Возможные неисправности

Указанные устройства чаще всего выходят из строя в результате повреждения изоляции, вызванного перегревом, непредусмотренным механическим воздействием или ошибкой при сборке.

Чтобы проверить состояние прибора, измеряют сопротивление межвитковой изоляции. Если она меньше установленного значения, оборудование нуждается в замене или ремонте.

Также для диагностики используются специальные приборы – тепловизоры, позволяющие проверить состояние всей действующей схемы. Наиболее сложные диагностические процедуры производятся в лабораторных условиях. Своевременная диагностика позволяет исключить аварийные ситуации и обеспечить нормальную работу устройств.

Виды и принцип работы трансформаторов

Трансформатор нужен для преобразования электрической энергии одного напряжения к электрической энергии другого напряжения. Используется для повышения или понижения напряжения. Нет разницы в понижении или повышении, так как трансформатор является обратимой электрической машиной (возможно преобразование электроэнергии как в большую, так и меньшую сторону). Однако производители выпускают трансформаторы для определенных целей – или повышающим или понижающим трансом.

На электрической станции турбогенератором вырабатывается электроэнергия с генераторным напряжением, например 15кВ, далее она трансформируется повышающими трансформаторами (описываемые элементы обозначены на схеме) до напряжения линии электропередач (например, 35кВ, 110кВ, 220кВ, 330кВ, 750кВ). Далее по ЛЭП электроэнергия передается к потребителям и снижается через понижающие трансформаторы до величины 10, 6, 0,4кВ.

Зачем передачу электроэнергии делают на высокие напряжения? Это необходимо для снижения потерь электроэнергии, что достигается увеличением напряжения. Какие бывают трансформаторы

По назначению:

• самыми распространенными являются силовые трансформаторы, предназначенные для передачи и распространения электроэнергии
• существуют силовые трансформаторы специального назначения – сварочные, печные
• трансформаторы тока и напряжения (измерительные и релейные) тоже относятся к трансформаторам
• испытательные трансформаторы – для подачи высокого напряжения для проверки прочности изоляции
• а также радиотрансформаторы, импульсные трансформаторы, пик-трансформаторы

Трансформаторы подразделяются на разные виды в зависимости от числа обмоток на двухобмоточные и многообмоточные (одна первичная и одна или несколько вторичных обмоток).

В зависимости от числа фаз – однофазные, трехфазные, многофазные.

По способу охлаждения – масляные, сухие.

Принцип действия трансформатора

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Возьмем для примера двухобмоточный однофазный трансформатор. К первичной обмотке подключается источник переменного тока. Этот ток протекает по обмотке и создает переменный магнитный поток Ф, который пронизывает обмотки трансформатора и изменяясь наводит в них ЭДС. Так как обмотки имеют различное число витков, то и величина ЭДС будет в них различная.

В повышающих трансах вторичное напряжение будет больше первичного, а в понижающих – наоборот. К вторичной обмотке подключается нагрузка и возникает вторичный ток, созданный индуцируемой магнитным потоком ЭДС. Таким образом, в трансформаторе происходит передача электроэнергии из первичной обмотки с напряжением U1 и током I1 во вторичную обмотку с током I2 и напряжением U2 посредством магнитного потока.

Сохраните в закладки или поделитесь с друзьями

---

---

Последние статьи

---

Самое популярное

Трансформатор — Вікіпедія

Трансформатор

Трансформа́тор (від лат. transformo — перетворювати) — пристрій для перетворення параметрів (амплітуд і фаз) напруг і струмів^[1].

Установка трансформатора на відкритому повітрі. Силовий трансформатор 110/35/10кВ потужністю 63МВА

Трансформатор — статичний електромагнітний пристрій, що має дві або більше індуктивно зв’язані обмотки і призначений для перетворення за допомогою електромагнітної індукції однієї або кількох систем (напруг) змінного струму в одну або декілька інших систем (напруг) змінного струму без зміни частоти системи (напруги) змінного струму^[2].

Трансформатори широко застосовуються в лініях електропередач, в розподільних та побутових пристроях. При високій напрузі й малій силі струму передача електроенергії відбувається з меншими втратами. Тому, зазвичай лінії електропередач є високовольтними. Водночас побутові й промислові машини вимагають великої сили струму й малої напруги, тому перед споживанням електроенергія перетворюється в низьковольтну. Трансформатори знайшли застосування також у різних випрямних, підсилювальних, сигналізаційних та інших пристроях.

Коефіцієнт корисної дії сучасних трансформаторів, особливо підвищеної потужності, вельми високий і досягає значень 0,95…0,996.

У 1831 році англійським фізиком Майклом Фарадеєм при проведенні ним основоположних досліджень було відкрите явище електромагнітної індукції, що лежить в основі принципу роботи електричного трансформатора.

Вперше трансформатори, як такі були продемонстровані в 1882 році^[3], хоча ще в 1876 році Яблочков П. М. запатентував (патент Франції № 115793 від 30 листопада 1876 року^[4]) аналогічний пристрій для створених ним освітлювальних пристроїв — «свічок Яблочкова»^{[5] [6]}. Це був трансформатор з розімкнутим осердям, у вигляді стрижня, на який намотувались обмотки.

Трансформатор силовий ОСМ1-0,63 380/220-24-12-5; Однофазний Сухий Багатоцільового призначення потужністю 0,63 кВА

У 1885 р. угорські інженери фірми «Ganz factory» Отто Блаті, Карл Зіперновскі і Мікша Дері винайшли трансформатор із замкнутим магнітопроводом, що зіграло важливу роль у подальшому розвитку конструкцій трансформаторів^[7].

Велику роль для підвищення надійності трансформаторів зіграло застосування масляного охолодження (кінець 1880-х років, Джордж Свінберн). Свінберн розташовував трансформатори у керамічних посудинах, заповнених оливою, що суттєво підвищувало надійність ізоляції обмоток.^[8].

Винахід трансформатора був важливим фактором у так званій війні струмів — конкурентній боротьбі за те, який електричний струм, постійний чи змінний ефективніший для масового користування.

З винайденням трансформатора виник технічний інтерес до змінного струму. Електротехнік російського походження М. О. Доліво-Добровольський у 1889 р. розробив для німецької фірми «Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft» перший трифазний трансформатор^[9]. На електротехнічній виставці у Франкфурті-на-Майні у 1891 р. Доліво-Добровольський демонстрував дослідну високовольтну електропередачу трифазного струму на відстань 175 км. Трифазний генератор мав потужність 230 кВт при напрузі 95 В.

У 1891 році Нікола Тесла винайшов резонансний трансформатор для генерування високої напруги при високій частоті^[10][11][12].

Схематична будова ідеального трансформатора Підключення трансформатора у схемі

Найпростіший трансформатор складається з двох обмоток на спільному осерді. Одна з обмоток під’єднана до джерела змінного струму. Ця обмотка називається первинною. Інша обмотка, вторинна, служить джерелом струму для навантаження. Створений струмом у первинній обмотці змінний магнітний потік викликає появу е.р.с. у вторинній обмотці, оскільки обидві обмотки мають спільне осердя. Співвідношення е.р.с. у вторинній обмотці й напруги на первинній залежить від кількості витків у обох обмотках. В ідеальному випадку

U S U P = N S N P = I P I S {\displaystyle {\frac {U_{S}}{U_{P}}}={\frac {N_{S}}{N_{P}}}={\frac {I_{P}}{I_{S}}}} ,

де індексом P позначені величини, що стосуються первинної обмотки, а індексом S — відповідні величини для вторинної обмотки, U — напруга, N — кількість витків, I — сила струму.

Таким чином, перетворення напруги й сили струму в трансформаторі визначається кількістю витків у первинній та вторинній обмотках. Напруга пропорційна кількості витків, тоді як сила струму обернено пропорційна їй.

У реальних трансформаторах енергія передається від первинного кола до вторинного з втратами. Існує низка фізичних причин, що їх зумовлюють.

Однією з причин втрат є активний опір обмоток. При протіканні струму через трансформатор, він нагрівається і віддає тепло навколишньому середовищу. При збільшенні частоти опір обмоток збільшується через скін-ефект та ефект близькості, які зменшують площу перерізу провідника, через який протікає струм.

Ще одна причина втрат — перемагнічування осердя внаслідок гістерезису. Ці втрати для конкретної речовини осердя пропорційні частоті й залежать від пікового значення потоку магнітного поля через осердя.

Інша причина втрат — струми Фуко. Змінне магнітне поле в осерді породжує змінне вихрове електричне поле, яке викликає додаткові вихрові струми, що теж призводять до нагрівання. Для зменшення струмів Фуко осердя виготовляють із тонких сталевих пластинок, оскільки втрати, пов’язані зі струмами Фуко, обернено квадратично залежать від товщини матеріалу. На високих частотах для виготовлення осердь використовують феромагнітні матеріали, які завдяки більшому опору, мають значно менші втрати.

Частина енергії втрачається на механічні коливання. Феромагнітний матеріал осердя розширюється і стискається у змінному магнітному полі завдяки явищу магнітострикції. Цим пояснюється гудіння трансформатора, що супроводжує його роботу. Додатково, первинна й вторинна обмотка притягаються й відштовхуються у змінному магнітному полі, змушуючи також коливатися і корпус трансформатора.

Магнітний потік, що виходить за межі осердя, сам по собі не призводить до втрати енергії, але він може призводити до появи вихрових струмів Фуко в металевих деталях корпусу й кріплення, що теж зумовлює невеликі втрати енергії.

Загалом, великі трансформатори мають коефіцієнт корисної дії до 98%^[13]. Трансформатори з надпровідних матеріалів можуть збільшити цей коефіцієнт до 99,85%^[14].

Втрати у трансформаторах залежать від навантаження. Втрати без навантаження зумовлені в основному опором обмоток, тоді як причиною втрат при повному навантаженні зазвичай є гістерезис та вихрові струми. Втрати при відсутності навантаження можуть бути значними, тому навіть, якщо до вторинної обмотки нічого не підключено, трансформатори повинні задовольняти умовам економної роботи. Конструювання трансформаторів із малими втратами вимагає великого осердя, високоякісної електротехнічної сталі, товстіших провідників, що збільшує початкові затрати, але окупається при експлуатації^[15].

Режими роботи трансформатора[ред. | ред. код]

Режим холостого ходу[ред. | ред. код]

Трансформатор може працювати в режимі холостого ходу, коли вторинне коло розімкнене (навантаження відсутнє), тобто Z S = ∞ ; I S = 0 {\displaystyle Z_{S}=\infty ;I_{S}=0} . За допомогою дослідження холостого ходу можна визначити ККД трансформатора, коефіцієнт трансформації, а також втрати в осерді.

У режимі холостого ходу для трансформатора з сердечником з магнітом’якого матеріалу струм холостого ходу характеризує величину втрат в осерді (на вихрові струми і на гістерезис) та реактивну потужність перемагнічування магнітопроводу. Потужність втрат можна обчислити, помноживши активну складову струму холостого ходу на напругу, що подається на трансформатор.

Для трансформатора без феромагнітного осердя втрати на перемагнічування відсутні, і струм холостого ходу визначається опором індуктивності первинної обмотки, який пропорційний до частоти змінного струму та величини індуктивності.

Режим короткого замикання[ред. | ред. код]

Режим короткого замикання можна отримати в результаті замикання вторинної обмотки накоротко. Це аварійний режим, що може призвести до виходу з ладу трансформатора. При цьому струм у вторинній обмотці може бути у 20…30 разів більшим за номінальний. Тому слід відрізняти режим короткого замикання від досліду короткого замикання. За допомогою останнього можна визначити втрати корисної потужності на нагрівання проводів в колі трансформатора.

При дослідженні режиму короткого замикання, на первинну обмотку трансформатора подається змінна напруга невеликої величини, виводи вторинної обмотки закорочують. Величину напруги на вході встановлюють такою, щоб струм короткого замикання дорівнював номінальному (розрахунковому) струму трансформатора. У таких умовах величина напруги короткого замикання характеризує втрати в обмотках трансформатора, втрати на омічний опір. Потужність втрат можна обчислити помноживши напругу короткого замикання на струм короткого замикання.

Даний режим широко використовується у вимірювальних трансформаторах струму.

Режим навантаження[ред. | ред. код]

Режим роботи трансформатора при якому вторинна обмотка замкнута на опір називається режимом роботи трансформатора під навантаженням. При такому режимі роботи у вторинній обмотці буде протікати струм I_S, який створить свій магнітний потік Φ_S, який за правилом Ленца має зменшити зміни магнітного потоку в осерді. Це призводить до автоматичного збільшення сили струму в колі первинної обмотки. Збільшення сили струму в колі первинної обмотки відбувається згідно із законом збереження енергії:

I P ⋅ U P ≈ I S ⋅ U S {\displaystyle I_{P}\cdot U_{P}\approx I_{S}\cdot U_{S}} або U P U S ≈ I S I P {\displaystyle {\frac {U_{P}}{U_{S}}}\approx {\frac {I_{S}}{I_{P}}}} .

Це означає, що підвищуючи за допомогою трансформатора напругу у кілька разів, ми в стільки ж разів зменшуємо силу струму (та навпаки). Отже, трансформатор перетворює змінний струм таким чином, що добуток сили струму на напругу приблизно однаковий у первинній і вторинній обмотках.

Умовні графічні позначення силових трансформаторів

	Трансформатор з двома обмотками на феромагнітному осерді
	Трансформатор з трьома обмотками. Крапками позначені початки обмоток, стосовно напрямку намотування
	Трансформатор з електростатичним екраном для усунення ємнісного зв’язку між обмотками

Силовий трансформатор[ред. | ред. код]

Силовий трансформатор — стаціонарний прилад з двома або більше обмотками, який за допомогою електромагнітної індукції перетворює систему змінної напруги та струму в іншу систему змінної напруги та струму, як правило, різних значень при тій же частоті з метою передачі електроенергії без зміни її потужності при передаванні^[16][17].

Силовий трансформатор використовується для перетворення параметрів електричної енергії в електричних мережах і устаткуванні, що застосовуються для приймання та споживання електричної енергії^[18]. Силовий трансформатор застосовується у складі комплектних трансформаторних підстанцій для пониження напруги при подачі електроенергії населеним пунктам.

Термін «силовий» вказує на роботу даного виду трансформаторів з великими потужностями. Необхідність застосування силових трансформаторів зумовлена ​​різною величиною робочих напруг ліній електропередач (35…750 кВ), міських електромереж (як правило 6…10 кВ), напруги що подається кінцевим споживачам (0,4 кВ, вони ж 380/220 В) та напруги, необхідної для роботи електромашин і електроприладів (у досить широкому діапазоні від одиниць вольт до сотень кіловольт).

Силові трансформатори поділяються на сухі, найчастіше використовуються в електромережах і в джерелах живлення різних приладів, і масляні, що працюють при напругах від 6кВ і вище. Масляні трансформатори відрізняються від сухих тим, що як ізоляційне та охолоджувальне середовище застосовується спеціальна трансформаторна олива. Силові масляні трансформатори переважно призначаються для пониження напруги електромереж.

Умовна графічна познака автотрансформа- тора з трьома виводами

Автотрансформатор[ред. | ред. код]

Автотрансформатор — трансформатор, дві або більше обмоток якого мають спільну частину^[19]. Це є варіант виконання силового трансформатора, в якому первинна і вторинна обмотки сполучені безпосередньо, і мають за рахунок цього не тільки електромагнітний зв’язок, а й електричний. Обмотка автотрансформатора має декілька виводів (як мінімум 3), при підключенні до яких, можна отримувати різні напруги.

Перевагою автотрансформатора є вищий ККД, оскільки лише частина потужності піддається перетворенню — це особливо суттєво, коли вхідна і вихідна напруги відрізняються незначно. Недоліком є відсутність електричної ізоляції (гальванічної розв’язки) між первинним і вторинним колом. У промислових мережах, де наявність заземлення нульового проводу обов’язкова, цей чинник ролі не грає, зате суттєвою є менша витрата сталі для осердя, міді для обмоток, менша вага і габарити, і в результаті — менша вартість.

Застосування автотрансформаторів економічно виправдане замість звичайних трансформаторів для сполучення ефективно заземлених мереж з напругою 110 кВ і вище при коефіцієнтах трансформації не більших за 3…4.

Узгоджувальний трансформатор[ред. | ред. код]

Узгоджувальний трансформатор (англ. matching transformer) — трансформатор, призначений для вмикання між двома колами з різними імпедансами з метою оптимізації потужності сигналу, що пересилається^[1]. Одночасно узгоджувальний трансформатор забезпечує створення гальванічної розв’язки між ділянками схем.

Узгоджувальні трансформатори за особливостями використання поділяють на вхідні, вихідні та проміжні.

Вимірювальний трансформатор[ред. | ред. код]

Вимірювальний трансформатор (англ. instrument transformer^[20]) — трансформатор, призначений для пересилання інформаційного сигналу вимірювальним приладам, лічильникам, пристроям захисту і (або) керування^[21]. Вимірювальні трансформатори поділяються на трансформатори струму і трансформатори напруги.

Трансформатор струму — вимірювальний трансформатор, в якому за нормальних умов роботи вторинний струм практично пропорційний первинному і зсув фаз між ними близький до нуля^[21].

Вимірювальний трансформатор струму — трансформатор, який призначений для перетворення струму до значення, зручного для виміру. Первинна обмотка трансформатора струму включається послідовно у коло зі змінним струмом, що вимірюється. А у вторинну включаються вимірювальні прилади. Струм, що протікає по вторинній обмотці трансформатора струму, пропорційний струму, що протікає у його первинній обмотці.

Трансформатори струму широко використовуються для вимірювання електричного струму й у пристроях релейного захисту електроенергетичних систем, у зв’язку з чим на них накладаються високі вимоги по точності. Трансформатори струму забезпечують безпеку вимірювань, ізолюючи вимірювальні кола від первинного кола з високою напругою, яка часто складає сотні кіловольт.

Зазвичай, трансформатор струму виготовляється з двома і більше групами вторинних обмоток: одна використовується для підключення пристроїв захисту, інша, точніша — для підключення засобів обліку і вимірювання (наприклад, лічильників електроенергії).

Трансформатор напруги — вимірювальний трансформатор, у якому за нормальних умов використання вторинна напруга пропорційна первинній напрузі та за умови правильного вмикання зміщена відносно неї за фазою на кут, близький до нуля^[21].

Трансформатор напруги використовується для перетворення високої напруги в низьку в колах релейного захисту та контрольно-вимірювальних приладів і автоматики. Застосування трансформатора напруги дозволяє ізолювати логічні кола захисту і кола вимірювання від кіл високої напруги.

Імпульсний трансформатор[ред. | ред. код]

Імпульсний трансформатор — трансформатор з феромагнітним осердям, для перетворення імпульсів електричного струму або напруги з тривалістю імпульсу до десятків мікросекунд з мінімальним спотворенням форми імпульсу. Імпульсні трансформатори в радіолокації, імпульсному радіозв’язку, автоматиці і обчислювальній техніці служать для узгодження джерела імпульсів з навантаженням, зміни полярності імпульсів, розділення електричних кіл по постійному і змінному струму, додавання сигналів, запалювання імпульсних ламп тощо.

Робота імпульсного трансформатора істотно відрізняється під час формування фронту і вершини імпульсу. Для кращої передачі фронту і спаду імпульсу необхідно, щоб міжвиткова ємність обмоток, паразитні ємності монтажу і індуктивність розсіяння імпульсного трансформатора були мінімальними. Зменшення міжвиткових ємностей досягається використанням сердечників малих розмірів, відповідним намотуванням і взаємним розташуванням обмоток, а також зменшенням числа витків (при цьому знижується коефіцієнт трансформації). В імпульсних трансформаторах застосовують сердечники з пермалою, кремнистої трансформаторної сталі, феритів та інших матеріалів з високою магнітною проникністю.

Резонансний трансформатор[ред. | ред. код]

Резонансний трансформатор — трансформатор, що працює на резонансній частоті коливального контуру утвореного однією або декількома із його обмоток підключенням до електричного конденсатора. У резонансного трансформатора зазвичай вторинна обмотка виконує роль індуктивності у коливальному контурі, утвореному разом з конденсатором. Коли на первинну обмотку подати періодичний струм у вигляді прямокутних чи пилкоподібних імпульсів на резонансній частоті, кожен імпульс струму дає поштовх коливанням індукованого струму у вторинній котушці. У зв’язку з резонансом можуть досягатись великі значення напруги, поки вона не буде обмежена якимось процесом, таким як електричний пробій. Такі пристрої використовуються для створення високої змінної напруги, що не може бути досягнутою на таких електростатичних машинах, як електростатичний генератор Ван де Граафа чи електрофорна машина.

Приклади:

Застосування трансформаторів[ред. | ред. код]

Трифазний розподільний трансформатор.

Найчастіше трансформатори застосовуються в електромережах та в джерелах живлення різних приладів.

Застосування в електромережах[ред. | ред. код]

Оскільки втрати на нагрівання дроту пропорційні квадрату струму, що проходить через дріт, при передачі електроенергії на великі відстані вигідно використовувати дуже великі напруги і невеликі струми. З міркувань безпеки та для зменшення маси ізоляції в побуті бажано використовувати менші напруги. Тому для найбільш вигідного транспортування електроенергії в електромережі багаторазово застосовують силові трансформатори: спочатку для підвищення напруги генераторів на електростанціях перед транспортуванням електроенергії, а потім для зниження напруги лінії електропередач до прийнятного для споживачів рівня.

Оскільки в електричній мережі три фази, для перетворення напруги застосовують трифазні трансформатори, або групу з трьох однофазних трансформаторів, з’єднаних за схемою зірки або трикутника. У трифазного трансформатора сердечник для всіх трьох фаз загальний.

Незважаючи на високий ККД трансформатора (для трансформаторів великої потужності — понад 99%), в дуже потужних трансформаторах електромереж виділяється велика потужність у вигляді тепла (наприклад, для типової потужності блоку електростанції 1 ГВт на трансформаторі може виділятися потужність до декількох мегават). Тому трансформатори електромереж використовують спеціальну систему охолодження: трансформатор поміщається в бак, заповнений трансформаторним маслом або спеціальною негорючою рідиною. Масло циркулює під дією конвекції або примусово між баком і потужним радіатором. Іноді масло охолоджують водою. «Сухі» трансформатори використовують при відносно малій потужності.

Застосування в джерелах електроживлення[ред. | ред. код]

Компактний мережевий трансформатор.

Для живлення різних вузлів електроприладів потрібні найрізноманітніші напруги. Блоки електроживлення у пристроях, які потребують кілька напруг різної величини, містять трансформатори з декількома вторинними обмотками або містять у схемі додаткові трансформатори. Наприклад, в телевізорі за допомогою трансформаторів отримують напруги від 5 вольт (для живлення мiкросхем і транзисторів) до декількох кіловольт (для живлення анода кінескопа через помножувач напруги).

У схемах живлення сучасних радіотехнічних та електронних пристроїв (наприклад в блоках живлення персональних комп’ютерів) широко застосовуються високочастотні імпульсні трансформатори. В імпульсних блоках живлення змінну напругу мережі спершу випрямляють, а потім за допомогою інвертора перетворюють на високочастотні імпульси. Система управління за допомогою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) дозволяє стабілізувати напругу. Після чого імпульси високої частоти подаються на імпульсний трансформатор, на виході з якого, після випрямлення і фільтрації отримують стабільну постійну напругу.

У минулому мережевий трансформатор (на 50-60 Гц) був однією з найважчих деталей багатьох приладів. Справа в тому, що лінійні розміри трансформатора визначаються його потужністю, причому виявляється, що лінійний розмір мережевого трансформатора приблизно пропорційний потужності в степені 1/4. Розмір трансформатора можна зменшити, якщо збільшити частоту змінного струму. Тому сучасні імпульсні блоки живлення при однаковій потужності є значно легшими.

Трансформатори на 50-60 Гц, незважаючи на свої недоліки, продовжують використовувати в схемах живлення, в тих випадках, коли необхідно забезпечити мінімальний рівень високочастотних перешкод, наприклад при високоякісному звуковідтворенні.

1. ↑ ^{а б} ДСТУ 2815-94 Електричні й магнітні кола та пристрої. Терміни та визначення.
2. ↑ ГОСТ 16110-82 Трансформаторы силовые. Термины и определения.
3. ↑ Allan, D.J. (Jan. 1991). Power Transformers – The Second Century. Power Engineering Journal 5 (1): 5–14. 
4. ↑ Iablochkov, Pavel Nikolaevich Архівовано 25 червня 2013 у Wayback Machine. на сайті TheFreeDictionary.com Farlex, Inc.
5. ↑ Stanley Transformer. Los Alamos National Laboratory; University of Florida. Архів оригіналу за 2013-06-25. Процитовано Jan. 9, 2009. 
6. ↑ De Fonveille, W. (Jan. 22, 1880). Gas and Electricity in Paris. Nature 21 (534): 283. Процитовано Jan. 9, 2009. 
7. ↑ Hughes, Thomas P. Networks of Power: Electrification in Western Society, 1880–1930. Baltimore: The Johns Hopkins University Press, 1993. — p. 95. ISBN 0-8018-2873-2.
8. ↑ Савинцев Ю. М Силовые трансформаторы: основные вехи развития.
9. ↑ Neidhöfer, Gerhard; in collaboration with VDE «History of Electrical Engineering» Committee (2008). Michael von Dolivo-Dobrowolsky and Three-Phase: The Beginnings of Modern Drive Technology and Power Supply (German) (вид. 2). Berlin: VDE-Verl. ISBN 978-3-8007-3115-2. 
10. ↑ Uth, Robert (Dec. 12, 2000). Tesla Coil. Tesla: Master of Lightning. PBS.org. Архів оригіналу за 2013-06-25. Процитовано 2008-05-20. 
11. ↑ Tesla, Nikola. System of Electrical Lighting. U.S. Patent 454 622, issued June 23, 1891. Архів оригіналу за 2013-06-25. Процитовано 2019-05-09. 
12. ↑ Патент США № 568 176 від 22 вересня 1896. Apparatus for producing electric currents of high frequency and potential. Опис патенту на сайті Бюро по реєстрації патентів і торгових марок США.
13. ↑ Kubo, T.; Sachs, H.; Nadel, S. (2001). Opportunities for new appliance and equipment efficiency standards (PDF). American Council for an Energy-Efficient Economy. с. 39. Архів оригіналу за травень 31, 2009. Процитовано June 21, 2009. 
14. ↑ Riemersma, H., et al.; Eckels, P.; Barton, M.; Murphy, J.; Litz, D.; Roach, J. (1981). Application of Superconducting Technology to Power Transformers. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. PAS-100 (7): 3398. doi:10.1109/TPAS.1981.316682. Архів оригіналу за 1 вересень 2007. Процитовано 13 лютий 2011. 
15. ↑ Heathcote, Martin (November 3, 1998). J & P Transformer Book, Twelfth edition. Newnes. с. 41–42. ISBN 0750611588. 
16. ↑ ДСТУ ГОСТ 30830-2003 (IEC 60076-1-93) Трансформатори силові. Частина 1. Загальні положення (ГОСТ 30830-2002 (IEC 60076-1-93). IDT)
17. ↑ «Power transformer» у Міжнародному електротехнічному словнику (IEV 421-01-01)
18. ↑ ДСТУ 2790-94 Системи електропостачальні номінальною напругою понад 1000 В: джерела, мережі, перетворювачі та споживачі електричної енергії. Терміни та визначення.
19. ↑ ДСТУ 3270-95 Трансформатори силові. Терміни та визначення.
20. ↑ «Instrument transformer» в IEV ref 321-01-01
21. ↑ ^{а б в} ДСТУ 2976-94 Трансформатори струму й напруги. Терміни та визначення.

• Загірняк М. В., Невзлін Б. І. Електричні машини : підручник. — К. : Знання, 2009. — 399 с. — ISBN 978-966-346-644-6.
• Кучерук І. М., Горбачук І. Т., Луцик П. П. Загальний курс фізики : навч. посібник у 3-х т. — Київ : Техніка, 2006. — Т. 2 : Електрика і магнетизм.
• Монтаж, наладка і експлуатація електрообладнання. Конспект лекцій (для студентів 5 курсу денної і 6 курсу заочної форм навчання спеціальності 7.0906003 — «Електричні системи електроспоживання») / А. В. Хитров — Харків : ХНАМГ, 2009. — 328 с.
• Трансформатори. Монтаж, обслуговування та ремонт / М. В. Принц, В. М. Цимбалістий. — Л. : Оріяна-Нова, 2007. — 184 c. — (Професійно-технічна освіта України). — ISBN 978-966-2128-03-1
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. — Москва : Наука, 1977. — Т. 3 : Электричество. (рос.)

• Захист трансформаторів та автотрансформаторів : Навч. посіб. для студ. напрямів «Системи упр. вир-вом та розподілом електроенергії», «Електр. системи та мережі», «Електр. станції» / В. П. Кідиба, Т. М. Шелепетень ; Нац. ун-т «Львів. політехніка». — Л. : Вид-во Нац. ун-ту «Львів. політехніка», 2004. — 177 c. — Бібліогр.: 26 назв.