9 фактов о повышающем трансформаторе: конструкция, работа, использование

Типы трансформаторов

Как и в любом техническом устройстве, повышающие трансформаторы могут быть самых различных видов, отличающихся между собой по показателям мощности, сфере использования и т.д.Рассмотрим каждый тип данного устройства более подробно:

Автотрансформатор имеет в своем наличии только одну обмотку с парой концевых клемм. Как правило, это трансформаторы однофазного типа, в которых присутствуют первичные и вторичные катушки.
Трансформаторы тока обладают большим количеством обмоток, по сравнению с предыдущим типом. Кроме того, в конструкции подобных устройств используется магнитный сердечник, резисторы и датчики оптического типа, ответственные за регулировку частоты напряжения.
Агрегат силового типа представляет собой специальный прибор, передающий ток между контурами через процесс электромагнитной индукции.
Агрегат антирезонансного типа представляет собой литой прибор, которые обладает практически полностью закрытой структурой. В продаже имеются как трехфазные, так и однофазные устройства. Во многом, данные устройства схожи с силовыми агрегатами, но обладают более компактными габаритами.
Заземляемые устройства отличаются от других специальной структурой обмоток, которые соединяются между собой зигзагом или звездой.
Пик-трансформаторы используются для отделения постоянного и переменного тока. Данные устройства получили достаточно широкое распространение в компьютерных технологиях и средствах радиосвязи.
Домашние устройства разделительного типа применяются в качестве передатчика электричества от источника переменного тока к самому прибору. Бытовые устройства, обладающие мощностью 220 вольт, применяются в качестве защитной меры от воздействия электрического тока и предотвращения помех в работе различных устройствах.

Практическая значимость

Практическая значимость вышесказанного становится более очевидной, когда рассматривается альтернатива: до появления эффективных трансформаторов, преобразование уровней напряжения и тока могло быть достигнуто только за счет использования установок, содержащих моторы и генераторы.

В то время, как и мотор и генератор являются достаточно эффективными устройствами, использование их в связке не обладает достаточной эффективностью, так что общий КПД установки находится в диапазоне 90% или менее.

Схема трансформатора в простом зарядном устройстве.

Кроме того, движущиеся части данных установок подвержены трению и механическому износу, а это, в свою очередь, влияет как на срок службы, так и на производительность. Трансформаторы же, с другой стороны, способны преобразовывать переменное напряжение и ток с очень высокой эффективностью без движущихся частей, что делает возможным широкое распространение и использование электроэнергии, которую мы считаем само собой разумеющимся.

Если трансформаторы явно превосходят моторы/генераторы в преобразовании переменного напряжения и тока, то они не могут преобразовать одну частоту переменного тока в другую, а также преобразовать (сами по себе) постоянное напряжение в переменное или наоборот.

Будет интересно Что такое трансформатор?

Установки мотор/генератор могут все это делать относительно просто, хотя и с некоторыми ограничениями эффективности, описанными выше. Эти установки также обладают уникальным свойством сохранения кинетической энергии.

То есть, если по какой-либо причине источник питания мотора мгновенно отключается, его угловой момент (инерция вращательного движения) будет еще некоторое время поддерживать вращение генератора, изолируя тем самым нагрузку (питаемую генератором) от «сбоев» в основной энергосистеме.

Принцип работы трансформатора

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Если на первичную обмотку подать переменное напряжение , то по виткам обмотки потечет переменный ток , который вокруг обмотки и в магнитопроводе создаст переменное магнитное поле. Магнитное поле образует магнитный поток , который проходя по магнитопроводу пересекает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует (наводит) в них переменные ЭДС – и . И если к выводам вторичной обмотки подключить вольтметр, то он покажет наличие выходного напряжения , которое будет приблизительно равно наведенной ЭДС (рис. 3).

Рис. 3 — Работа трансформатора без нагрузки

При подключении к вторичной обмотке нагрузки, например, лампы накаливания, в первичной обмотке возникает ток , образующий в магнитопроводе переменный магнитный поток изменяющийся с той же частотой, что и ток . Под воздействием переменного магнитного потока в цепи вторичной обмотки возникает ток , создающий в свою очередь противодействующий согласно закону Ленца магнитный поток , стремящийся размагнитить порождающий его магнитный поток (рис. 4).

Рис. 4 — Работа трансформатора с нагрузкой

В результате размагничивающего действия потока в магнитопроводе устанавливается магнитный поток равный разности потоков и и являющийся частью потока , т.е.

Результирующий магнитный поток обеспечивает передачу магнитной энергии из первичной обмотки во вторичную и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу , под воздействием которой во вторичной цепи течет ток . Именно благодаря наличию магнитного потока и существует ток , который будет тем больше, чем больше . Но и в то же время чем больше ток , тем больше противодействующий поток и, следовательно, меньше .

Из сказанного следует, что при определенных значениях магнитного потока и сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки устанавливаются соответствующие значения ЭДС , тока и потока , обеспечивающие равновесие магнитных потоков в магнитопроводе, выражаемое формулой приведенной выше.

Таким образом, разность потоков и не может быть равна нулю, так как в этом случае отсутствовал бы основной поток , а без него не мог бы существовать поток и ток . Следовательно, магнитный поток , создаваемый первичным током , всегда больше магнитного потока , создаваемого вторичным током .

Величина магнитного потока зависит от создающего его тока и от числа витков обмотки, по которой он проходит.

Напряжение, которое выдает нам трансформатор на вторичной обмотке, зависит от количества витков, которые намотаны на первичной и вторичной обмотке!

где — напряжение на вторичной обмотке — напряжение на первичной обмотке — количество витков первичной обмотки — количество витков вторичной обмотки — сила тока первичной обмотки — сила тока вторичной обмотки

Из этой формулы можно сделать вывод: увеличиваем напряжение – уменьшается ток, уменьшаем
напряжение – увеличивается ток.

Отношение напряжений между первичной и вторичной обмотками называют коэффициент трансформации.

В трансформаторе соблюдается закон сохранения энергии, то есть какая мощность в трансформатор заходит, такая и выходит.

Для переменного тока мощность определяется также, но только вместо постоянного напряжения берется среднеквадратичное напряжение.

Мощность трансформатора зависит от размеров сердечника, рабочей частоты преобразования.

Трансформаторы, которые выдают одинаковые напряжения на выходе и на входе, называют разделительными (развязывающими) (рис. 5).

Рис. 5 — Схематичное изображение разделительного трансформатора

Если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подаваемого на первичную обмотку, и такой трансформатор называют повышающим (рис. 6). У повышающего трансформатора вторичная обмотка наматывается
более тонким проводом, чем первичная, так как максимальный ток вторичной обмотки будет меньше тока первичной обмотки.

Рис. 6 — Схематичное изображение повышающего трансформатора

Если же вторичная обмотка содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее будет меньше, чем напряжение подаваемое на первичную обмотку, и такой трансформатор называют понижающим (рис. 7). Первичная обмотка понижающего трансформатора всегда будет намотана более тонким проводом, чем вторичная. Связано это с тем, что при понижении напряжения возможно увеличение тока во вторичной обмотке, следовательно, нужен провод большего сечения.

Рис. 7 — Схематичное изображение понижающего трансформатора

Виды трансформаторов

Все трансформаторы можно разделить на следующие типы:

власть;
автотрансформаторы;
измерение;
расколоть;
переписка;
запястье;
пиковые трансформаторы;
сварка.

Силовые трансформаторы являются наиболее распространенным типом промышленных трансформаторов. Они используются для увеличения или уменьшения напряжения. Они являются неотъемлемой частью электросетей предприятий, населенных пунктов и т.д.

Автотрансформатор – это трансформатор, имеющий только одну обмотку с числом витков W1. Часть этой обмотки с числом витков W2 принадлежит как первичной, так и вторичной цепи:

Этот тип трансформатора используется в устройствах автоматического регулирования напряжения. Эти устройства используются, например, в учебных заведениях для лабораторных работ, их можно встретить в электротехнических лабораториях различных предприятий для проведения испытательных работ.

Внешний вид автотрансформаторов:

Измерительные трансформаторы подразделяются на трансформаторы напряжения и трансформаторы тока. Они обеспечивают гальваническую развязку между цепями высокого и низкого напряжения. Как следует из названия, основным приложением является снижение первичного напряжения или тока до значения, используемого в измерительных схемах, например, для подключения амперметров, вольтметров и электросчетчиков. Их также можно использовать в различных схемах защиты, управления и сигнализации. От других типов трансформаторов они отличаются более высокой точностью и стабильностью коэффициента трансформации.

Пример измерительных трансформаторов:

Изолирующие трансформаторы эти устройства мало чем отличаются от обычных понижающих или повышающих трансформаторов. Единственное отличие состоит в том, что на общем магнитопроводе размещены абсолютно одинаковые обмотки. То есть полностью совпадают с такими параметрами, как сечение провода, количество витков, изоляция. Следовательно, их коэффициент трансформации равен единице.

Назначение этих устройств – обеспечить гальваническую развязку, исключая прямое электрическое соединение между электрической сетью и оборудованием, подключенным к ней через этот трансформатор.

Их применяют в тех сферах, где есть повышенные требования к электробезопасности, например, при подключении медицинского оборудования.

Согласующие трансформаторы используются для согласования сопротивлений различных частей каскадов электронных схем, а также для подключения нагрузки, не соответствующей по сопротивлению допустимым значениям источника сигнала, что позволяет передавать максимальную мощность к такой нагрузке. В этом случае не имеет значения само прямое изменение показателей тока и напряжения.

Они используются в усилителях низкой частоты в качестве входных, межкаскадных и выходных трансформаторов.

В качестве входа в звуковоспроизводящей аппаратуре используются согласующие трансформаторы для подключения микрофонов и звукоснимателей различных типов.

Трансформаторы этого типа используются для согласования сигнала при подключении антенн к приемным и передающим устройствам.

Импульсные трансформаторы – это устройства с ферромагнитным сердечником, которые используются для изменения импульсов тока или напряжения. Полученный сигнал преобразуется в прямоугольный импульс. Они используются для предотвращения высокочастотных помех. Импульсные трансформаторы чаще всего используются в устройствах электронной обработки, радиолокационных системах, импульсной радиосвязи, в качестве измерительных приборов в счетчиках электроэнергии

Пиковые трансформаторы: преобразуют синусоидальное напряжение в пики импульсов, сохраняя при этом их полярность и частоту колебаний.

Они незаменимы там, где для запуска привода требуется одиночный импульс с заданной амплитудой напряжения. Это, например, электронные схемы управления, установленные на тиристорах. Они также используются в качестве генераторов импульсов, в основном в высоковольтных исследовательских установках, в коммуникационной и радиолокационной технике. Пиковые трансформаторы наиболее широко используются при автоматизации технологических процессов.

Сварочные трансформаторы являются основными источниками питания для ручной дуговой сварки на переменном токе. Они используются для понижения сетевого напряжения с 220 В или 380 В до безопасного и в то же время увеличения значения тока для повышения температуры электрической дуги.

Типы трансформаторов

От номинального значения тока в первичном и вторичном контуре зависит классификация трансформаторов. В распространенных видах показатель находится в пределах 1-5 А.

Разделительный агрегат не предусматривает связь обеих спиралей. Оборудование обеспечивает гальваническую развязку, т. е. передачу импульса бесконтактным способом

Без нее протекающий между цепями ток ограничивается только сопротивлением, которое не принимается во внимание из-за малого значения

Согласующий трансформатор обеспечивает согласование различных показателей сопротивления для минимизации искажения формы импульса на выходе. Служит для организации гальванической развязки.

Прежде чем выяснить, какие бывают трансформаторы силового направления, отмечают, что их выпускают для работы с сетями большой мощности. Приборы переменного тока изменяют показатели энергии в приемных установках и работают в местах с большой пропускной способностью и скоростью изменения электроэнергии.

Вращающий трансформатор не следует путать с вращающимся оборудованием — машиной для преобразования угла поворота в напряжение цепи, где эффективность зависит от частоты вращения. Прибор передает электроимпульс на подвижные части техники, например на головку видеомагнитофона. Двойной сердечник с отдельными обмотками, одна из которых поворачивается вокруг другой.

Масляный агрегат использует охлаждение катушек специальным трансформаторным маслом. Имеют магнитопровод замкнутого типа. В отличие от воздушных видов могут взаимодействовать с сетями большой мощности.

Сварочные трансформаторы для оптимизации работы оборудования, понижения напряжения и создания тока высокой частоты. Это происходит из-за изменения индуктивного сопротивления или показателей холостого хода. Ступенчатое регулирование выполняется компоновкой электрообмотки на проводниках.

Что такое трансформатор, его устройство, принцип действия и назначение

Устройство и принцип действия силовых трансформаторов

Что такое коэффициент трансформации трансформатора?

Трансформаторы тока: устройство, принцип действия и типы

Как подключить понижающий трансформатор с 220 на 12 вольт?

Преобразователи напряжения с 12 на 220 вольт

Другие виды

В соответствии с рабочими характеристиками представленное оборудование различается еще по нескольким признакам. По количеству контуров бывают однофазные (бытовые) и трехфазные (промышленные) конструкции.

В качестве охладительной системы применяются разные субстанции. Различают масляные и сухие разновидности. В первом случае оборудование стоит дешевле. Масло является пожароопасным веществом. При их использовании предусматривается качественная защита от аварии. Сухие агрегаты заполнены негорючим веществом. Они стоят дороже, но требования по их установке лояльные.

Циркуляция охладителя в системе может быть принудительным или естественным. Существуют конструкции, в которых эти методы комбинируются. Многообразие видов позволяет каждому подобрать оптимальный тип устройства.

Защита силовых трансформаторов

В первую очередь необходимо постоянно контролировать уровень масла, циркулирующего внутри бака. На его температуру оказывает влияние целый комплекс различных факторов. В связи с этим происходит постоянное изменение объема и главной задачей становится поддержание уровня масла в установленных границах. Важную роль в этом играет использование расширительного бачка, компенсирующего все объемные отклонения. Кроме того, он позволяет вести наблюдения за текущим уровнем масла.

Данные о состоянии уровня снимаются с помощью маслоуказателя, подключаемого параллельно с расширительным бачком.

Силовые трансформаторы должны быть защищены от проникновения влаги, поскольку расширительный бак своей верхней частью плотно контактирует с окружающей средой. С этой целью устанавливается осушитель воздуха, создающий препятствия попаданию влаги в масло, что существенно снижает его диэлектрические свойства.

Важной составляющей масляной системы считается газовое реле, защищающее трансформатор от внутренних повреждений. Оно монтируется внутри трубопровода, который соединяет между собой основной и расширительный баки. Во время нагрева масло и органическая изоляция выделяют газы, попадающие в емкость газового реле, содержащую внутри чувствительный элемент

Во время нагрева масло и органическая изоляция выделяют газы, попадающие в емкость газового реле, содержащую внутри чувствительный элемент.

В некоторых случаях может возникнуть аварийное повышение давления внутри бака. В целях защиты на крышке трансформатора выполняется монтаж выхлопной трубы. Ее нижний конец должен сообщаться с емкостью бака, а масло – поступать внутрь до необходимого уровня в расширителе. Над расширителем возвышается верхняя часть трубы, которая отводится в сторону и незначительно загибается вниз. Ее конец герметично закрывает стеклянная предохранительная мембрана, разрушающаяся в случае аварийного повышения давления.

Силовые трансформаторы, имеющие обмотку высокого напряжения свыше 1000 В, оборудуются релейной защитой от основных повреждений и неисправностей. Непосредственными защитными устройствами являются вторичные реле прямого или косвенного действия. Их подключение осуществляется не напрямую, а через измерительные трансформаторы напряжения и тока.

ВИДЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ

В зависимости от специфических функций, выполняемых трансформаторами, они подразделяются на несколько основных типов:

силовые, предназначенные для трансформации мощности;
измерительные, к которым относятся трансформаторы тока и напряжения;
разделительные, служащие для разделения электрических цепей.

Силовые трансформаторы используются на электрических станциях, в распределительных сетях и в точках потребления электроэнергии. Основная их функция — трансформирование передаваемой электрической энергии с одной ступени напряжения в другую.

Смысл смены ступеней напряжения заключается в том, что выработка, транспортировка и потребление электрической энергии происходит на разных уровнях напряжения.

Мощные турбогенераторы электрических станций вырабатывают электроэнергию напряжением 20 кВ. Передача энергии на большие расстояния осуществляется по воздушным линиям (ЛЭП), имеющим напряжение сотни киловольт — 110, 220, 500 кВ.

Более высокое напряжение (750 и 1150 кВ) применяется реже ввиду дороговизны оборудования и ряда технических сложностей. Повышение напряжения транспортировки электроэнергии позволяет снизить её потери.

Потребляется же большая часть электричества с напряжением 0,4 кВ. Максимальное напряжение конечных электрических устройств составляет не более нескольких киловольт. К таким устройствам относятся высоковольтные приводные двигатели мощных производственных механизмов, тяговые двигатели электровозов, питающихся от контактных электрических сетей.

Таким образом, электрическая энергия на своём пути от её производства до поступления к конечному потребителю несколько раз изменяет уровень напряжения. Эту работу выполняют силовые трансформаторы, установленные на электрических станциях и подстанциях распределительных сетей.

Измерительные трансформаторы используются в цепях измерения, защиты и контроля. Устройства этого типа осуществляют преобразование первичных значений тока и напряжения в пропорциональные им вторичные величины, необходимые для работы измерительных приборов, устройств защиты и автоматики.

Преобразование токовых величин осуществляется трансформаторами тока, для контроля уровня напряжения служат трансформаторы напряжения. Измерительные трансформаторы относятся к средствам измерений и подлежат периодической метрологической поверке, так же как все измерительные приборы.

Разделительные трансформаторы используются в тех случаях, когда необходимо обеспечить гальваническую развязку между отдельными участками электросетей.

Необходимость такого разделения может диктоваться требованиями электробезопасности. Например, таким способом осуществляется питание некоторых видов медицинского оборудования. В данном случае используется одно из основных свойств, присущих трансформатору — отсутствие гальванической связи между его обмотками.

* * *

Какой трансформатор называют повышающим

Повышающий трансформатор это обычный трансформатор (см. назначение и принцип действия трансформатора) который повышает значение напряжения электрического тока. На первичной обмотке оно ниже, а на вторичной выше. Тем самым на выходе прибора напряжение выше и за счет определенного числа витков обмотки и сечения имеет нужное значение.

Применение повышающих трансформаторов

Приборы устанавливаются в электрических линиях и источниках питания потребительских точек. В соответствии с законом Джоуля — Ленца при увеличении силы тока выделяется тепло, которое нагревает провод. Для транслирования энергии на большие линейные расстояния увеличивают напряжение, а токи уменьшают. При поступлении к потребителю мощность снижают, поскольку в целях безопасности пришлось бы использовать массивную изоляцию.

В начале цепочки устанавливают повышающий трансформатор, а в точке приема понижают показатели. Такие комбинации на протяжении ЛЭП используют многократно, добиваясь выгодных условий транспортировки электричества и создавая приемлемые значения для потребителя.

Из-за присутствия в сети трех фаз для трансформации энергии используют трехфазные агрегаты. Иногда применяют группу, в которой устройства объединены в модель звезды, при этому них общий проводящий стержень.

Хоть коэффициент полезного действия у агрегатов большой мощности достигает почти стопроцентного значения, всё равно выделяется много тепла. Типичный трансформатор электрической станции 1 гВт выдает несколько мегаватт. Чтобы снизить это явление, разработана охладительная система в виде бака с негорючей жидкостью или трансформаторным маслом и сильным устройством для воздушной раздачи тепла. Охлаждение чаще водяное, сухой принцип используют при небольшой мощности.

Трансформаторы напряжения

Трансформаторы напряжения предназначены для трансформации и снижения напряжения в более низкое. Обычно необходимо это для измерения напряжения электроэнергии, идущей из сети. Трансформаторы напряжения помогают изолировать цепи измерения и защиты от самой электросети с электроэнергией высокого напряжения.

Трансформаторы напряжения бывают заземляемыми и незаземляемыми. Заземляемый трансформатор может быть однофазным и трехфазным. Однофазный имеет один заземленный конец первичной обмотки, а в трехфазном заземлена нейтраль обмотки первого уровня.

В незаземляемом трансформаторе напряжения вся первичная обмотка изолирована и земли.

Кроме того, различают трансформаторы напряжения каскадные и емкостные. В каскадных первичную обмотку разделяют на несколько секций, последовательно соединенных друг с другом. В этом случае мощность к обмотке вторичной передается с помощью дополнительных, играющих соединительную роль, обмоток. В емкостном трансформаторе напряжения есть емкостный делитель.

Также трансформаторы напряжения различаются по количеству обмоток. В двухобмоточных есть лишь одна вторичная обмотка, в трехобмоточных помимо основной вторичной обмотки присутствует и вторая. В зависимости от того, где необходимы трансформаторы напряжения, выбирают тот или иной тип устройств.

Для схемы «Зарядное устройство для 3-6-вольтовых аккумуляторов»

Предлагаемое зарядное устройство разработано для зарядки стабильным током в первую очередь шахтерских аккумуляторов, именуемых в народе «коногонкой». Саморазряд у этих аккумуляторов очень большой. А это означает, что уже через месяц, более того без нагрузки тот самый аккумулятор надобно заряжать. Устройство несложно доработать и для зарядки 12-вольтовых аккумуляторов, подходит оно (без доработки) и для зарядки 6-вольтовых аккумуляторов. Схема устройства очень проста (см. рисунок). Выпрямитель и трансформатор на схеме не показаны. Вторичная обмотка обеспечивает ток в нагрузке более 3 А при напряжении 12 В. Выпрямитель мостового типа на диодах Д242А, фильтрующий конденсатор — 2000 мкФх50 В (К50-6). Полевой транзистор типа КП302Б (2П302Б, КП302БМ) с начальным током стока 20-30 мА. Стабилитрон VD1 типа Д818 (Д809). Транзистор типа КТ825 с любой буквой. Его можно сменить схемой Дарлингтона, например, КТ818А и КТ814А и т.д. Фазоимпульсный регулятор мощности на кмоп Резистор R1 типа МЛТ-0,25; резистор R2 типа ППЗ-14, но полностью подойдет и с графитовым покрытием; R3 — проволочный (нихром — 0,056 Ом/см). Транзистор VT2 размещен на ребристом теплоотводе с охлаждающей поверхностью приблизительно 700 см. Электролитический конденсатор С1 любого типа. Конструктивно схема выполнена на печатной плате, расположенной вблизи транзистора VT2. Чтобы заряжать и 12-вольтовые аккумуляторы, следует предусмотреть вероятность увеличения на 6 В переменного напряжения на вторичной обмотке

сетевого транзисторазарядного устройства. Данную схему использовали так же, как приставку к блоку питания (подойдет и не стабилизированный источник напряжения). Достоинство данной схемы — не боится коротких замыканий по выходу, поскольку представляет собой фактически генератор стабильного тока. Величина этоготока зависит в первую очередь от смещения,…

Устройство и принцип работы

Конструктивно повышающее устройство трансформации напряжения состоит из сердечника и двух обмоток. Сердечник собран из пластин электротехнической листовой стали. На него намотаны первичная и вторичная обмотки, из медного провода, различного диаметра. Толщина провода намотки трансформатора напрямую зависит от его выходной мощности.

Сердечник устройства может быть стержневым или броневым. При использовании изделия в сетях низкочастотного напряжения чаще всего применяются стержневые магнит проводы, которые по форме могут быть:

П-образные.
Ш-образные.
Тороидальные.

Изготавливаются сердечники из трансформаторного специального железа, от качественных характеристик которого и зависят многие общие параметры устройства. Набирается сердечник из тонких железных пластин, которые изолированы друг от друга лаком или слоем окиси, для уменьшения потерь за счёт вихревых токов. Могут применяться и готовые половинки, которые сделаны из сплошных железных лент.