Принцип роботи трансформатора, пристрій понижуючого і підвищувального трансформатора, види та типи, формула ККД, напруга короткого замикання трансформатора, схема заміщення

Принцип роботи трансформатора повинен знати кожен чоловік, який хоче більш усвідомлено дивитися на використовувану в побуті і промисловості техніку і розуміти основи її функціонування. Трансформатор належить до одного з найбільш універсальних і широко використовуваних пристроїв, яке у тій чи іншій формі можна зустріти практично скрізь.

З допомогою цього апарата відбувається перетворення початкового напруги електричного сигналу в більш високе або низьке, залежно від поставлених завдань. Є як безпосередньо трансформатори, які спочатку запрограмовані виконувати тільки одну функцію, так і так звані латеры – апарати, в яких робоча напруга можна міняти прямо під час експлуатації устаткування.

Без трансформатора неможливо уявити собі нашу звичну життя. Перед тим, як електричний сигнал потрапляє в будинок, відбувається зниження напруги на спеціальних трансформаторних станціях.

Передача електричної енергії на великі відстані по проводах відбуваються навпаки, завдяки підвищенню напруги з звичних 220-380 В до декількох десятків кВ. Будь-яка побутова техніка, навіть самий примітивний блок живлення, також виконують завдання трансформатора.

Саме тому дуже важливо хоча б у загальних рисах розуміти, як працює цей пристрій.

Трансформатор — що це таке

Сама назва даного технічного пристосування пішло від латинського терміна transformare, що означає – перетворювати, змінювати, перетворювати. Трансформатором називається пристрій статичного електромагнітного типу, яке виконує завдання перетворення напруги змінного типу, а також служить для здійснення гальванічної розв’язки в електричних схемах.

В останньому випадку мається на увазі такий тип передачі електричної енергії чи інформаційного сигналу, при якому між контактуючими деталями немає безпосереднього електричного контакту.

Трансформатор може бути однофазним або трифазним, хоча за особливостями конструкції вони і не занадто сильно відрізняються.

Цей пристрій було винайдено, грунтуючись на роботах великого вченого Фарадея (за іншими версіями – він його винайшов), який відкрив явище електромагнітної індукції. У 1831 році М. Фарадей і інший вчений Д. Генрі розробили перше схематичне зображення розглянутого приладу.

Пізніше, в 1876 році, російський винахідник П. Н. Яблочков запатентував перший трансформатор змінного струму.

Види і типи

З тих пір, коли Фарадея і Генрі вперше зобразили на схемі розглянуте пристосування, минуло чимало часу. І зараз кількість різноманітних перетворюють струм пристроїв пішов на десятки.

Бувають такі основні види трансформаторів, які активно використовуються практично у всіх сферах діяльності людини:

  1. Автотрансформатор — пристрій, в якому первинна і вторинна обмотки з’єднані не тільки магнітним, але і безпосередньо електричним контактами.

  2. Силовий — застосовується в мережах з великими напругою електричного струму, вимірюваними киловольтами. Найчастіше працюють при ЛЕП, невеликих електростанціях, а також у будинках кінцевих користувачів.

  3. Трансформатор струму. Струм первинної обмотки, який надходить безпосередньо з його джерела, тут знижується до меж, необхідних для безперебійної роботи певних типів техніки.

  4. Трансформатор напруги. На відміну від попереднього випадку, харчується не джерелом струму, а джерелом напруги. Найчастіше тут висока напруга трансформується в більш низьке.

  5. Імпульсивний — відрізняється тим, що обробляє електричні сигнали тривалістю в мілісекунди.

  6. Зварювальний — перетворює напругу в більш низьке, а струм – в значно більш високий, необхідний для завдань зварювання.

  7. Розділовий, в якому первинна обмотка електрично не прив’язана до вторинної. Необхідний для забезпечення більшого рівня безпеки при роботі з електромережами.

Також є ще узгоджувальний, пік-трансформатор, здвоєний дросель, що обертає та інші типи розглянутого пристрої, призначені для вирішення конкретних технічних завдань.

Загальне пристрій

Конструкція виробу в загальному вигляді виглядає досить просто.

Основу пристрою становлять такі найважливіші його елементи:

  1. Первинна обмотка — котушка, на яку намотано N кількість витків провідника. Два електричних контакту дозволяють підключати до неї джерела постійного струму або напруги.
  2. Вторинна обмотка — за типом конструкції повністю повторює первинну, але має відмінну від неї кількість витків провідника M. Також тут розташовані контакти для виведення електричного сигналу на наступного або кінцевого споживача струму або напруги.
  3. Магнітний стрижень, зазвичай прямокутної форми, на який його сторонам надіті у щільному контакті на основі згадані вище котушки. Призначений для того, щоб передавати виникло в результаті дії електромагнітної індукції магнітне поле з першої на другу котушку і збуджувати в ньому пропорційний електричний сигнал.

Всі зазначені елементи можуть знаходитися в корпусі, який іноді буває заповнений спеціальним трансформаторним маслом. Влаштований прилад просто, і навіть сама примітивна схема заміщення легко пояснює його принципи роботи.

Принцип дії

Найголовніше у вивченні приладу полягає в тому, щоб розібратися — на якому фізичному явищі заснована робота трансформатора? Як уже коротко згадувалося вище, в основі функціонування пристрою лежить відкрита Майклом Фарадеєм електромагнітна індукція.

Її суть полягає в наступному – змінне магнітне поле генерує електричний струм, що знаходяться поруч провідниках. У школі всі повинні були бачити експеримент, який це демонструє – в контур з дроту вставляється і витягується магніт, а на підключеному до дроту амперметре можна спостерігати появу струму.

Формула, представлена Фарадеєм, який відкрив закон виникнення ЕРС, показує, що виникає електрорушійна сила пропорційна магнітному потоку через цей контур.

Коротко кажучи, суть роботи трансформатора наступна – коли на первинну обмотку подається напруга і по ній тече струм, виникає магнітне поле певної величини. Воно поширюється по магнітопроводу або магнітного сердечника, і генерує у другій обмотці електричний струм, який пропорційний як величиною магнітного поля, так і кількості витків провідника на другій обмотці. Головна характеристика пристрою – його ККД.

Залежність напруги від кількості витків

Виникає напруга і ККД у влаштуванні на другій обмотці безпосередньо залежить від кількості витків на ній.

Розглянемо найбільш поширені різновиди, що стосуються цього питання:

  1. Розділовий трансформатор. Тут електричне з’єднання обмоток відсутня, а кількість витків на другий з них одно першої. Тобто, n1 / n2 = 1.
  2. Понижуючий. У цьому випадку на вторинній обмотці знаходиться менше витків провідника, ніж на первинній, або n1 / n2 1.
  3. Підвищувальний трансформатор. Тут ситуація прямо протилежна попередньому випадку — на вторинній обмотці витків більше, ніж на первинній n1 / n2 1.

У деяких пристроях є можливість змінювати режим роботи і параметр n2 залежно від потреб кінцевого споживача і мінливих умов експлуатації.

З чого складається трансформатор

Будова розглянутого технічного пристосування вже було розглянуто вище. Але виникає питання: а які магнітні матеріали застосовуються для забезпечення його безперебійної роботи?

Магнітні матеріали

Магнітна система трансформаторів зазвичай робиться спеціальної електротехнічної сталі високого ступеня чистоти. Використовується вона з тієї причини, що дозволяє домогтися максимальної передачі магнітного сигналу без великих втрат і збільшує ККД пристрою.

Також до популярних магнітним матеріалів відносяться всілякі сплави із застосуванням у їх складі вуглецю і кремнію, що дозволяє значно збільшити магнітну проникність матеріалу.

Магнітопровід і його типи

Що стосується магнітопровода, то він зазвичай ділиться на типи:

  1. Стрижневий тип. Відрізняється ступінчастим перерізом вертикального стрижня, що вписується в коло. На самих вертикальних елементах розташовуються обмотки.
  2. Броньовий тип. Тут кожен стрижень має прямокутну форму в поперечному перерізі і це ж стосується обмоток – вони також прямокутні. Виробництво таких елементів досить ускладнене.
  3. Тороїдальний тип. Відрізняється круглою формою і вимагає мінімальну кількість матеріалу для виготовлення. Перетин тут кругле, а обмотка намотується перпендикулярно напрямку ліній кола.

Є і більш поглиблені класифікації, але вони представляють інтерес більше для фахівців. Параметри різних типів магнітопроводів можуть значно відрізнятися.

Літерні та схематичні позначення трансформатора

На всіх електричних схемах трансформатор, так само як і його потужність і інші параметри, зображуються спеціальними символами і літерами. Сам пристрій зображується у вигляді двох проводков з кількома витками, між якими знаходиться стрижень у вигляді вертикальної лінії.

Умовні графічні позначення трансформаторів.

а – трансформатор без магнітопровода з постійним зв’язком;

б – трансформатор без магнітопровода з змінної зв’язком;

в – трансформатор з магнитодиэлектрическим магнітопроводом;

р – трансформатор, що підбудовується загальним магнитодиэлектрическим магнітопроводом;

д – трансформатор зі ступінчастим регулюванням;

е – трансформатор однофазний з феромагнітною магнітопроводом і екраном між обмотками;

ж – диференціальний трансформатор (з відведенням від середньої точки однієї обмотки);

з – трансформатор однофазний з феромагнітною магнітопроводом трехобмоточный;

і – трансформатор трифазний з феромагнітною магнітопроводом, із з’єднанням обмоток зірка – зірка з виведеною нейтральної (середньої) точкою;

к – трансформатор трифазний з феромагнітною магнітопроводом, з’єднання обмоток зірка з виведеною нейтральної (середньої) точкою – трикутник;

л – трансформатор трифазний трехобмоточный з феромагнітною магнітопроводом, із з’єднанням обмоток зірка з регулюванням під навантаженням – трикутник – зірка з виведеною нейтральної (середньої) точкою;

м – розгорнутих позначеннях обмоток трансформаторів (Форма 2) допускається похиле зображення ліній зв’язку, наприклад, обмотка трансформатора із з’єднанням обмоток зірка – трикутник;

н – трансформатор трифазний трехобмоточный (фазорегулятор), з’єднання обмоток зірка – зірка;

про – трансформатор обертовий, фазер (позначення з’єднання обмоток статора і ротора між собою здійснюється в залежності від призначення машини);

п – трансформаторна група з трьох однофазних двообмоткових трансформаторів із з’єднанням обмоток зірка – трикутник.

Що стосується буквених позначень, то тут все виглядає так:

  • Про – вказує на однофазне пристрій;
  • Т – трифазне;
  • З – повітряний тип охолодження;
  • М – масляне охолодження;
  • Д – суміш повітряної і масляної системи;
  • Р – позначає, що пристрій з розщепленою обмоткою;
  • А – автотрансформатор.

Є й інші літерні позначення, і в цілому їх дуже багато.

Застосування трансформаторів

Головна область використання даного пристосування – це електромережі, які подають струм для будинків, заводів, офісних приміщень і т. д.

Електростанції використовують силові трансформатори для того, щоб подавати на споживача струм не 16 кВ напруги, яким вони його беруть, а звичні 220-380 Ст.

Також пристрій активно використовується у всілякій електрообладнанні, установках на виробництві, у побутовій техніці та джерелах живлення.