Однофазный трансформатор – что это такое, устройство и принцип работы, режимы и параметры, плюсы и минусы, классификация

Для преобразования электрического тока в быту чаще всего применяется однофазный трансформатор. Благодаря этому подключаются и длительно эксплуатируются электроприборы различного номинала. Разберем, что собой представляет, как устроен и работает трансформатор для 1 фазы, какими рабочими режимами и параметрами он характеризуется, каковы его плюсы и минусы, а также как классифицируется.

Однофазный трансформатор – что это такое, устройство, принцип действия

Электроэнергия, поступающая в дом со столба во вводный щиток, как известно, вырабатывается на специальных станциям, таких, как например, ГЭС. Однако производится она там с номиналом в десятки кВ. Более того, для передачи на расстояние, чтобы минимизировать потери, ток повышается до сотен кВ.

Такое преобразование номинала как раз и происходит путем пропускания электричества через повышающий трансформатор. При этом перед раздачей потребителям электроток уменьшается, опять же с помощью специальных понижающих трансформаторов.

Чтобы понять принцип действия, для начала следует разобраться в его устройстве. Состоит такой прибор из следующих рабочих компонентов:

1. Первичной и вторичной обмотки.
2. Сердечника их соединяющих.
3. Корпуса.
4. Вводных и выходных контактов.

Обмотка – это катушка, или намотка проводника с заданным количеством витков. Сердечник – замкнутый контур из токопроводящего материала. Вводные контакты соединятся с 1-ой обмоткой, выводные – с 2-ой. Все компоненты заключены в прочный корпус.

Принцип действия трансформатора сводится к такому алгоритму:

• На первичную обмотку подается ток.
• В результате в катушке возникает переменное магнитное поле.
• Далее оно инициирует переменный магнитный поток в сердечнике.
• Благодаря этому во вторичной обмотке также возникает переменное магнитное поле.
• В результате если к выводным контактам подключить нагрузку, возникнет ток.

Цель использования трансформатора – повышение или понижение входящего тока. Определяется это соотношением витков в 1-ой и 2-ой катушках. Так если в 1-ой их больше, чем во 2-ой, происходит снижение номинала, а если наоборот – увеличение.

Совет! Чтобы проводники вторичной трансформаторной обмотки не выгорали, на цепи потребителя следует установить защиту от короткого замыкания.

Рабочие режимы

Работа 1-фазного трансформатора характеризуется 3-мя режимами:

• Холостой ход.

Цепь нагрузки на 2-ой обмотке разомкнута, и электроэнергия не потребляется. При этом на 1-ой катушке наблюдается только реактивный ток намагничивания.

В режиме холостого хода можно определить коэффициент полезного действия агрегата и подсчитать потери на сердечнике. В таком состоянии трансформатор расходует не более 3 % энергии – по сравнению с подключенной нагрузкой.

• Нагрузка.

В состоянии подключенной нагрузки во 2-ой катушке начинает течь ток. Его величина обратно пропорциональна числу витков обмотки. Режим характеризуется 2-мя параметрами:

1. Протекающим нагрузочным током.
2. Холостым током.

При этом потеря мощности происходит по причине теплового рассеяния на сердечнике.

• Замыкание.

Режим возникает в случае короткого замыкания в электроцепи 2-ой катушки. Главная причина – разница величин потенциала. В качестве нагрузки выступает сопротивление проводника самой обмотки. Намеренное замыкание обмотки производится с целью измерения силы нагрева проводника и подсчета возможных расходов.

Параметры

Трансформатор для 1 фазы характеризуется таким главным параметром, как коэффициентом трансформации. Для его расчета применяется следующая формула:

К_транс = U₁/U₂ = D₁/D₂

К_транс – коэффициент трансформации,

U₁ – напряжение в 1-ой катушке,

U₂ – напряжение во 2-ой катушке,

D₁ – число витков проводника 1-ой обмотки,

D₂ – число витков проводника 2-ой обмотки.

Если значение рассчитанной величины получалось больше 1, значит, агрегат понижающий, если меньше 1 – повышающий.

При этом мощность, равная произведению силы тока на напряжения, 1-ой обмотки теоретически должна соответствовать мощности 2-ой обмотки. Однако на практике на вторичной катушке величина всегда ниже – ввиду потерь на сердечнике. В идеале КПД трансформаторов достигает 96-98 %.

Плюсы и минусы

Преимущества 1-фазного трансформатора проявляются в следующих особенностях:

• Максимально возможный коэффициент полезного действия – нередко достигающий 98 %.
• Стойкость к скачкам напряжения и перегрузкам.
• Оптимальное охлаждение, не требующее дополнительных мер.
• Безвредность для окружающей среды моделей сухого типа – так как не содержат в конструкции масляных камер.

• Компактность, благодаря которой для установки изделий не требуется выделять и подготавливать специально место.
• Пожарная безопасность.

Обратите внимание! Одна из причин выхода из строя трансформатора – перегрев сердечника и расплавление обмоток. Чтобы этого не происходило, следует установить контроль температуры и эффективное охлаждение.

Недостатки выражаются в специфичности обслуживания для масляных моделей – в частности, требуется регулярно проверять состояние прокладок и при необходимости заменять. Кроме того, экземпляры сухого типа слабо защищены от воздействия внешних факторов – сырости, грязи, пыли, ветра, агрессивных веществ. К тому же они достаточно дороги.

Классификация

Трансформаторы для работы в 1-фазной электросети разделяются на следующие подвиды:

• Силовой.

Установки в основном эксплуатируются в силовых линиях для преобразования, передачи и распределения электроэнергии. Рабочая мощность варьируется в широком спектре – от нескольких вольт до сотен кВ.

В населенных пунктах стоят понижающие агрегаты. Высоковольтное напряжение они преобразуются в привычные 220 и 380 вольт – необходимые для нормальной работы бытовой электротехники.

• Сетевой.

Такое название устройство получило, ввиду назначения – эксплуатации при сетевом напряжении, то есть 220 В. Как правило, это понижающие модели – из стандартного сетевого они создают ток с заниженным номиналом – 48, 24, 12 вольт и т. д.

При этом вторичных обмоток у такого агрегата может быть несколько, что требуется для питания различных низковольтных приборов.

• Автотрансформатор.

В отличие от классической трансформаторной схемы в автотрансформаторах 1-ая и 2-ая обмотки соединены проводником, а не только сердечником. Сделано это для повышения КПД.

Кроме того, от вторичной катушки может отходить несколько выводов с разных мест. Это позволяет формировать множество разных номиналов.

• Токовый.

Агрегат предназначается для снижения величины силы тока, поступающего в 1-ую обмотку, до заданного значения на 2-ой обмотке. Требуется это для работы измерительного, контролирующего, сигнализирующего и защитного оборудования.

В большинстве случаев на выводных контактах формируется ток 1 или 5 А.

• По напряжению.

Зачастую такой агрегат применяется для понижения напряжения, непосредственно поступающего от источника, до требуемого номинала. Характеризуется универсальностью – устанавливается в самых разных цепях.

Не исключается его использование в измерительных устройствах, автоматике и релейной защите.

• Импульсный.

Устройство узконаправленного применения. Главная функция – изменение импульсного сигнала с откликом. Точность трансформации достигает десятков мксек.

На заметку! Коэффициент трансформации используется не только для отображения типа трансформатора, но также для различных расчетов и определения неисправностей, например, присутствия короткозамкнутых витков.

Коротко о главном

Трансформатор обеспечивает повышение номинала электричества перед транспортировкой и понижение перед раздачей потребителям. Состоит прибор из первичной и вторичной обмотки, сердечника, корпуса и контактов. Принцип работы основан на возникновении тока во 2-ой катушке под действием переменного поля, возникающего в сердечнике при пропускании электричества по 1-ой катушке.

Функционирует трансформатор в 3-х режимах – под нагрузкой, на холостом ходу и при замыкании. Характеризуется коэффициентом трансформации, отображающим повышение или понижение преобразуемого тока. Для расчета величины применяется специальная формула.

Классифицируется 1-фазный трансформатор на такие виды:

1. Силовые.
2. Сетевые.
3. Автотрансформаторы.
4. Токовые.
5. По напряжению.
6. Импульсные.

Плюсы выражаются в высоком КПД, стойкости к перегрузкам, оптимальном охлаждении, безвредности, компактности и пожаробезопасности. Минусы – специфичность обслуживания моделей на масле, минимальная защита от внешних факторов и высокая стоимость.