Для чего нужен трансформатор, как устроен и работает, виды, характеристики, применение

Практически все электросистемы от промышленных установок до радиотехнических приборов оснащаются специальными преобразователями тока – трансформаторами. Связано это, прежде всего, с необходимостью подбора заданной величины напряжения для конкретного применения. Разберем, для чего нужен трансформатор, как он устроен и работает, какими параметрами характеризуется, на какие виды делится и где применяется.

Трансформатор – что это такое и как устроено

Прибор для получения тока с одним значением напряжения из тока с другим значением называется трансформатором. В основе его действия лежит явление электромагнитной индукции. Главное назначение устройства – понижение или повышение напряжения переменного электротока.

Трансформатор состоит из следующих рабочих элементов:

• Сердечник, или магнитопровод.

Замкнутая конструкция из электропроводящего материала. Предназначается для размещения первичной и вторичной обмотки, а также формирования и прохождения магнитного потока по замкнутому контуру с наименьшими потерями.

Чтобы избежать возникновения самоиндукции, сердечники изготавливаются из специальных материалов:

• Электротехнические стальные сплавы. Наиболее широко применяются недорогие холоднокатаные стали для изготовления разнообразных трансформаторов.
• Сплавы железа и никеля. Ввиду хорошей магнитной проницаемости, металлы этого типа используются для создания импульсных и высокочастотных трансформаторов. Плюсы – снижением габаритов и массы устройства, минусы – высокая стоимость и минимальная ударопрочность.

• Ферриты. Служат базой для производства магнитопроводов прессованного типа, применяемых для сборки трансформаторов импульсного вида, а также работающих на частотах до 100 кГц.

При этом по форме магнитопроводы разделяются на 3 базовых вида:

1. Стержневые цилиндрические и прямоугольные.
2. Броневые.
3. Тороидальные, или кольцевые.

Геометрия и тип материала сердечника определяется назначением, условиями применения и заданными характеристиками трансформатора.

• Обмотки.

В качестве материала обмотки, как правило, берется медный проводник с изоляцией. При намотке его на сердечник образуется катушка. При этом в трансформаторе есть 2 типа обмотки:

1. Первичная, входная – на нее подается напряжение.
2. Вторичная, выводная – с нее берется измененное напряжение.

Обе изолированы друг от друга и от магнитопровода. В зависимости от геометрии сердечника обмотка бывает цилиндрическая, пластинчатая, дисковая и т. д.

• Корпус.

Для защиты от внешнего воздействия сердечник с обмотками помещается в корпус. Изготавливается он из тонкостенного металла. Для эффективного отвода тепла, возникающего в ходе преобразования электроэнергии, конструкция оснащается ребрами по типу радиатора.

На мощных установках применяется жидкостное охлаждение. Для этого корпус изготавливается закрытым, в него заливается минеральное масло. В ходе работы оно циркулирует между витками обмотки и забирающими тепло стальными элементами.

На заметку! Чтобы минимизировать потери электроэнергии в виде тепла, с помощью трансформатора напряжение сначала повышается, а затем перед раздачей потребителям понижается.

Принцип действия

Устройство и принцип действия трансформатора основаны на эффекте образования электротока в замкнутом проводящем контуре при колебаниях магнитного потока. Явление преобразования тока сводится к следующему алгоритму:

• При подаче напряжения на 1-ую обмотку, возникает переменный ток.
• При прохождении его через катушку возникает переменное магнитное поле.
• Оно в свою очередь формирует магнитный поток в замкнутом сердечнике.

• Магнитный поток индуцирует во 2-ой обмотке переменную электродвижущую силу.
• При подключении к ней нагрузки по проводникам начинает течь переменный ток заданного номинала.

Значение напряжение на выходе установки определяется соотношением количества витков в 1-ой и 2-ой намотках – коэффициентом трансформации. Задавая определенные пропорции, можно регулировать в меньшую или большую сторону величину разности потенциалов на выходе. В связи с этим трансформаторы бывают понижающими и повышающими.

Характеристики

В работе трансформаторных установок первостепенное значение имеет следующий ряд технических характеристик:

• Коэффициент трансформации.

Величина рассчитывается по следующей формуле:

К_т = В₁ / В₂

К_т – коэффициент трансформации.

В₁ – количество витков проводника в 1-ой обмотке.

В₂ – число витков во 2-ой намотке.

Коэффициент трансформации необходим для расчета степени понижения или повышения во время сборки агрегата.

• Коэффициент полезного действия.

КПД трансформатора определяет общие потери мощности – по соотношению на выходе и входе. Величина мощности определяется площадью сердечника, и, следовательно, при расчете задает количество витков намотки.

Для этого применяется такая формула:

В_о = 50 / П_с

В_о – число витков.

П_с – площадь сечения магнитовода.

В общем, параметр характеризует, насколько эффективно выполняет свою функцию установка. Так, у совершенных моделей величина может достигать 99 %.

• Потери мощности.

Утрата электроэнергии в трансформаторе происходит 2-мя путями:

1. На обмотках, или в меди – определяется нагрузочным током.
2. На сердечнике, или в стали – задается напряжением.

Потери энергии на обмотках определяются силой тока нагрузки, и при отображении на графике выделяются параболической зависимостью. Потери на сердечнике определяются напряжением, и выстраиваются по графической прямой.

При этом обе величины измеряются в ваттах и при расчетах суммируются, формируя итоговую характеристику для установки. На практике замер параметра дает понять реальный КПД трансформатора и при необходимости улучшить его работу.

Справка! Трансформатор функционирует только в сетях с переменным напряжением. При подаче на первичную обмотку постоянного тока возникнет постоянный магнитный поток, и напряжение во вторичной обмотке не образуется.

Разновидности

Доступные на сегодня трансформаторы классифицируются по следующему ряду признаков:

• Назначению.

В зависимости от сферы применения устройства подразделяются на несколько видов:

1. Силовые – преобразуют ток большой мощности как в сетях, так и на установках.
2. Для систем освещения – используются для электропитания подсветок и систем освещения.
3. Сварочные – применяются для стабилизации сварочной дуги в сварочных аппаратах.
4. Измерительные – устанавливаются в инструменты для проведения измерений.
5. Импульсные – применяются в современных точных устройствах для сохранности выходной формы электротока.

Кроме того, трансформаторные модули могут иметь обозначение по применимости к конкретному месту, устройству, технике.

• Типу охлаждения.

Для успешной работы трансформатору требуется эффективное отведение вырабатываемого тепла. Для этого применяется 2 типа систем охлаждения:

1. Воздушные или сухие – с охлаждением за счет воздуха. Это стандартные бытовые установки для работы в 2-х и 3-х-фазных сетях.
2. Масляные – с радиаторной системой отвода тепла, где в качестве теплоносителя заливается минеральное масло. Как правило, это агрегаты мощностью свыше 6 кВт.

Бывают также установки с жидкостным диэлектрическим охлаждением. Теплоносителем служит специальная жидкость-диэлектрик.

• Виду электрического тока.

В стандартном представлении трансформатор предназначен для понижения или повышения напряжения в сети переменного тока. Однако бывают также варианты для постоянного тока.

Естественно, это несколько иные по конструкции и принципу действия устройства. Применяются они гораздо реже, чем обычные модели.

• Количеству фаз.

В зависимости от количества преобразуемых фаз установки бывают:

1. 1-фазные.
2. 3-фазные.
3. Многофазные.

Последние применяются в особых условиях, когда оборудование должно всегда работать безотказно. При потере одной фазы на смену включается запасная.

Применение

Трансформатор, по сути, это универсальное устройство, и потому применяется везде, где есть необходимость понижения или повышения напряжения. Это, прежде всего, такие области:

• Электроэнергетическая отрасль. Ни одна электростанция не обходится без стационарного трансформаторного блока для транспортировки на расстояние и распределения электричества по объектам.

• Промышленная сфера. Большая часть промышленного оборудования требует трансформации тока под заданные характеристики. Для этого применяются силовые агрегаты.
• Электротехника. В блоках питания, передатчиках и усилителях используются трансформаторы высокочастотного и импульсного типа.
• Системы освещения. Для осветительных приборов на дорогах, зданиях, в цехах устанавливаются особые трансформаторные устройства.
• Электросварочные работы. Для стабилизации дуги и настроек тока применяются специальные трансформаторные агрегаты напряжения.
• Транспорт. Питание электроприводов различных транспортных средств (локомотивов, трамваев, авто) выполняется с помощью тяговых трансформаторов.
• Точные и измерительные приборы.

Обратите внимание! Для питания электротехники все чаще стали применяться бестрансформаторные блоки. Однако когда дело касается мощного оборудования, без трансформаторов не обойтись.

Коротко о главном

Трансформатор служит для повышения или понижения напряжения. Работает на принципе магнитной индукции. Состоит устройство из 3-х рабочих частей – сердечника, обмоток и корпуса.

При подаче переменного тока на 1-ую обмотку возникает переменный магнитный поток. Проходя через замкнутый магнитовод, он индуцирует ток во 2-ой обмотке.

Любой трансформатор характеризуется 3-мя параметрами – коэффициентом трансформации, КПД и потерей мощности. При этом классифицируется по ряду признаков:

• Назначению.
• Типу охлаждения.
• Числу фаз.
• Виду тока.

Применяются трансформаторы в различных областях – электроэнергетике, промышленности, электротехнике, системах освещения, транспорте, электросварке и точных приборах.