Устройство и принцип работы трансформатора
Для преобразования электрического напряжения одной величины в электрическое напряжение другой величины, то есть для преобразования электрической мощности, применяют электрические трансформаторы.
Трансформатор может преобразовывать лишь переменный ток в переменный ток, поэтому для получения постоянного тока, переменный ток с трансформатора при необходимости выпрямляют. Для этой цели служат выпрямители.
Так или иначе, любой трансформатор (будь то трансформатор напряжения, трансформатор тока или импульсный трансформатор) работает благодаря явлению электромагнитной индукции, которое проявляет себя во всей красе именно при переменном или импульсном токе.
Устройство трансформатора
В простейшем виде однофазный трансформатор состоит всего из трех основных частей: ферромагнитного сердечника (магнитопровода), а также первичной и вторичной обмоток. В принципе обмоток у трансформатора может быть и больше двух, но минимум их две. В некоторых случаях функцию вторичной обмотки может нести на себе часть витков первичной обмотки (см. виды трансформаторов), но подобные решения встречаются достаточно редко по сравнению с обычными.
Главная часть трансформатора — ферромагнитный сердечник. Когда трансформатор работает, то именно внутри ферромагнитного сердечника присутствует изменяющееся магнитное поле. Источником изменяющегося магнитного поля в трансформаторе служит переменный ток первичной обмотки.
Напряжение на вторичной обмотке трансформатора
Известно, что любой электрический ток сопровождается магнитным полем, соответственно переменный ток сопровождается переменным (изменяющимся по величине и направлению) магнитным полем.
Таким образом, подав в первичную обмотку трансформатора переменный ток, получим изменяющееся магнитное поле тока первичной обмотки. А чтобы магнитное поле было сконцентрировано главным образом внутри сердечника трансформатора, данный сердечник изготавливают из материала с высокой магнитной проницаемостью, в тысячи раз большей чем у воздуха, чтобы основная часть магнитного потока первичной обмотки замкнулась бы именно внутри сердечника, а не по воздуху.
Таким образом переменное магнитное поле первичной обмотки сконцентрировано в объеме сердечника трансформатора, который изготавливают из трансформаторной стали, феррита или другого подходящего материала, в зависимости от рабочей частоты и назначения конкретного трансформатора.
Вторичная обмотка трансформатора находится на общем сердечнике с его первичной обмоткой. Поэтому переменное магнитное поле первичной обмотки пронизывает также и витки вторичной обмотки.
А явление электромагнитной индукции как раз и заключается в том, что изменяющееся во времени магнитное поле наводит в пространстве вокруг себя изменяющееся электрическое поле. И поскольку в данном пространстве вокруг изменяющегося магнитного поля находится провод вторичной обмотки, то индуцированное переменное электрическое поле действует на носители заряда внутри этого провода.
Данное действие электрическим полем вызывает в каждом витке вторичной обмотки ЭДС. В результате между выводами вторичной обмотки появляется переменное электрическое напряжение. Когда вторичная обмотка включенного в сеть трансформатора не нагружена, трансформатор работает в режиме холостого хода.
Работа трансформатора под нагрузкой
Если же ко вторичной обмотке работающего трансформатора подключена некая нагрузка, то во всей вторичной цепи трансформатора возникает ток через нагрузку.
Данный ток порождает свое собственное магнитное поле, которое, по закону Ленца, имеет такое направление, что противодействует «причине, его вызывающей». То есть магнитное поле тока вторичной обмотки в каждый момент времени стремится уменьшить увеличивающееся магнитное поле первичной обмотки или же стремится поддержать магнитное поле первичной обмотки когда оно уменьшается, оно всегда направлено навстречу магнитному полю первичной обмотки.
Таким образом, когда вторичная обмотка трансформатора нагружена, в его первичной обмотке возникает противо-ЭДС, заставляющая первичную обмотку трансформатора потреблять из питающей сети больше тока.
Коэффициент трансформации
Соотношение витков первичной N1 и вторичной N2 обмоток трансформатора определяет соотношение между его входным U1 и выходным U2 напряжениями и входным I1 и выходным I2 токами, при работе трансформатора под нагрузкой. Данное соотношение называется коэффициентом трансформации трансформатора:
Коэффициент трансформации больше единицы если трансформатор понижающий, и меньше единицы — если трансформатор повышающий.
Трансформатор напряжения
Трансформатор напряжения является разновидностью понижающего трансформатора, предназначенной для гальванической развязки цепей высокого напряжения от цепей низкого напряжения.
Обычно, когда речь идет о высоком напряжении, имеют ввиду 6 и более киловольт (на первичной обмотке трансформатора напряжения), а под низким напряжением понимают величины порядка 100 вольт (на вторичной обмотке).
Такой трансформатор применяется, как правило, для измерительных целей. Он понижает, например, высокое напряжение линии электропередач до удобного для измерения низковольтного напряжения, при этом может также гальванически изолировать цепи измерения, защиты, управления, — от высоковольтной цепи. Трансформатор данного типа обычно работает в режиме холостого хода.
Трансформатором напряжения можно назвать в принципе и любой силовой трансформатор, применяемый для преобразования электрической мощности.
Трансформатор тока
У трансформатора тока первичная обмотка, состоящая обычно всего из одного витка, включается последовательно в цепь источника тока. Данным витком может выступать участок провода цепи, в которой необходимо измерить ток.
Провод просто продевается через окно сердечника трансформатора и становится этим самым единственным витком — витком первичной обмотки. Вторичная же его обмотка, имеющая много витков, подключается к измерительному прибору, отличающемуся малым внутренним сопротивлением.
Трансформаторы данного типа используются для измерения величин переменного тока в силовых цепях. Здесь ток и напряжение вторичной обмотки оказываются пропорциональны измеряемому току первичной обмотки (токовой цепи).
Трансформаторы тока широко применяются в устройствах релейной защиты электроэнергетических систем, поэтому обладают высокой точностью. Они делают измерения безопасными, так как гальванически надежно изолируют измерительную цепь от первичной цепи (обычно высоковольтной — десятки и сотни киловольт).
Импульсный трансформатор
Данный трансформатор предназначен для преобразования тока (напряжения) импульсной формы. Короткие импульсы, обычно прямоугольные, подаваемые на его первичную обмотку, заставляют трансформатор работать практически в режиме переходных процессов.
Такие трансформаторы используются в импульсных преобразователях напряжения и других импульсных устройствах, а также в качестве дифференцирующих трансформаторов.
Применение импульсных трансформаторов позволяет снизить вес и стоимость устройств, в которых они применяются просто в силу повышенной частоты преобразования (десятки и сотни килогерц) по сравнению с сетевыми трансформаторами, работающих на частоте 50-60 Гц. Прямоугольные импульсы, у которых длительность фронта много меньше длительности самого импульса, нормально трансформируются с малыми искажениями.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Повышающий и понижающий трансформатор
В быту и на производстве используется огромное количество различных электронных устройств, приборов и оборудования. Довольно часто для их нормальной эксплуатации требуется повышающий и понижающий трансформатор. Каждый из них работает на основе самоиндукции, позволяющей изменять ток в ту или иную сторону. Само название трансформатора означает изменение или преобразование. Они применяются в основном совместно с электроникой зарубежного производства, рассчитанной на токи, отличающиеся от отечественных стандартов. Кроме того, трансформаторы обеспечивают защиту электрооборудования и оптимизируют его питание, делая работу максимально эффективной.
Функции и работа трансформаторов
В электронике трансформаторы являются незаменимыми устройствами. Однако, для их наиболее эффективной работы, необходимо хорошо представлять себе, что понижает или повышает трансформатор. В зависимости от потребностей, они повышают или, наоборот, понижают величину потенциала в цепочках с переменным током.
С появлением отличающихся трансформаторных устройств стала возможной доставка электричества на значительные дистанции. Заметно снижаются потери на проводах ЛЭП, когда переменное напряжение повышается, а ток – понижается. Это происходит на всей протяженности проводников, соединяющих электростанцию с подключенными потребителями. На каждом конце таких линий напряжения снижаются до безопасного уровня, облегчая работу используемого оборудования.
Какой трансформатор называют повышающим, а какой понижающим, и какая между ними разница
Если отвечать коротко, то прибор выдающий более высокий потенциал, в сравнении со входом, считается повышающим. Если же происходит обратный процесс, и потенциал на выходе меньше, чем на входе, такое устройство будет понижающим. В первом случае вторичная обмотка обладает большим количеством витков, чем на первичная, а во втором, наоборот, в работе применяется вторичная обмотка с меньшим количеством витков. Этим они кардинально отличаются друг от друга.
Можно ли понижающий трансформатор использовать как повышающий
Да, можно. Поскольку для перемены функций достаточно изменить схему соединения обмоток с источником потенциала и нагрузкой. Соответственно, изменится и функциональность понижающего трансформатора.
На практике, с целью повышения эффективности устройства, индуктивность всех обмоток рассчитывается для точных рабочих значений тока и напряжения. Эти показатели должны обязательно сохраняться в исходном состоянии, когда повышающий и понижающий трансформатор изменяют свои функции на противоположные.
Как определить принадлежность той или иной обмотки
Конструктивно, трансформаторы выполнены по такому принципу, что невозможно сразу определить их различия, то есть, какие провода называется и фактически являются первичной, а которые из них – вторичной обмоткой. Поэтому, чтобы не запутаться, применяется маркировка. Для высоковольтной обмотки предусмотрен символ «Н», в понижающих устройствах она служит первичной, а в повышающих – вторичной обмоткой. Обмотка с низким вольтажом маркируется символом «Х».
Для того чтобы понять особенности, отличие и принцип действия каждого из этих устройств, их следует рассмотреть более подробно.
Общее устройство и функционирование трансформаторов понижающего типа
Трансформаторы выполняют преобразование более высокого входящего напряжения в низкую характеристику напряжения на выходе, то есть позволяют понизить большие токи до требуемых значений. При необходимости такой прибор может использоваться как повышающий.
Принцип действия этих приборов определяется законом электромагнитной индукции. Стандартная конструкция состоит из двух обмоток и сердечника. Первичная обмотка соединяется с источником питания, после чего вокруг сердечника происходит генерация магнитного поля. Под его воздействием во вторичной обмотке возникает электрический ток с определенными заданными параметрами напряжения.
Выходная мощность определяется по количественному соотношению витков в каждой катушке. Изменяя этот показатель можно управлять характеристиками выходного напряжения и получать требуемый ток для бытового и промышленного оборудования.
С помощью лишь одних трансформаторов невозможно изменить частоту электрического тока. Для этого конструкция понижающего аппарата дополняется выпрямителем, изменяющим частоту тока в диапазоне требуемых значений. Современные приборы дополняются полупроводниками и интегральными схемами с конденсаторами, резисторами, микросхемами и другими компонентами. В результате, получается устройство с незначительными размерами и массой, но достаточно высоким уровнем КПД, работающее на понижение напряжения.
Такие трансформаторы функционируют очень тихо и не подвержены сильному нагреву. Мощность выходного тока может выставляться путем регулировок и отличаться в каждом случае. Все устройства нового типа оборудованы защитой от коротких замыканий.
Понижающий трансформатор отличается простой и надежной схемой, широко применяются на подстанциях между отрезками линий электропередачи. Они выполняют понижение сетевого тока с 380 до 220 вольт. Подобные устройства относятся к промышленным. Используемые в быту, отличаются более низкими мощностями. Принимая на первичную обмотку входа 220 В, они затем выдают пониженное напряжение от 12 до 42 вольт в соответствии с подключенными потребителями. Коэффициент трансформации понижающих устройств всегда ниже единицы. Для того чтобы его определить, нужно знать соотношение между количеством витков в первичной и вторичной обмотке.
Особенности повышающего трансформатора
Повышающие трансформаторные устройства, как их называют специалисты, также используются в быту и на производстве. В основном их назначение – работа по своему профилю на проходных электростанциях. Они должны повысить ток в соответствии с нормативными показателями, поскольку в процессе транспортировки происходит постепенное снижение высокого напряжения в ЛЭП. В конце пути следования электростанция с помощью повышающего трансформатора напряжение поднимается до нормативных 220 В и поставляется в бытовые сети, а 380 В – в промышленные.
Работа трансформатора повышающего типа осуществляется по следующей схеме, включающей в себя несколько этапов:
- Вначале на электростанции производится электрический ток напряжением 12 киловольт (кВ).
- Далее по ЛЭП оно поступает на повышающую подстанцию и попадает в повышающий трансформатор, преобразующий это напряжение до 400 кВ. Отсюда ток поступает в высоковольтную ЛЭП и уже по ней приходит на понижающую подстанцию, где его напряжение вновь становится 12 кВ.
- На последнем этапе ток оказывается в низковольтной линии, в конце которой установлен еще один трансформатор понижающего действия. Здесь напряжение окончательно принимает рабочее значение 220 или 380 В и в таком виде поступает в бытовую или промышленную сеть.
Принцип работы повышающего трансформатора также основан на электромагнитной индукции. Основная конструкция состоит их двух катушек с разным количеством витков и изолированного сердечника.
Низкое переменное напряжение поступает в первичную обмотку и вызывает появление магнитного поля, возрастающего при оптимально подобранном соотношении обмоток. Под его влиянием во вторичной обмотке образуется электрический ток с повышенными показателями – 220 В и более. В случае необходимости изменения частоты, в цепочку дополнительно устанавливается преобразователь, способный выдавать постоянный ток для определенных видов оборудования.
В процессе работы трансформаторы нагреваются, поэтому им требуется использовать охлаждение, которое может быть масляным или сухим. Трансформаторные масла относятся к пожароопасным веществам, поэтому такие системы оборудуются дополнительной защитой. Сухие трансформаторы заполняются специальными негорючими веществами. Они безопасны в эксплуатации, но стоят значительно дороже.
Что такое трансформатор и как его проверить
Сварочный аппарат, микроволновка, компьютер, блок питания, телевизор — такие разные электроприборы но в каждом из них есть трансформатор. Как прозвонить обмотки и замерить напряжение выдаваемое трансформатором, как посчитать допустимую мощность и что такое ток холостого хода — вопросы на которые Вы получите исчерпывающие ответы и несколько практических советов по работе с трансформаторами. В конце расскажу о трансформаторе тока и где он используется.
- Для чего нужен трансформатор?
- Как рассчитать обмотки трансформатора
- Как прозвонить обмотки трансформатора?
Для чего нужен трансформатор?
Основное свойство трансформатора преобразование напряжения или тока до требуемого значения и гальванической развязки — это очень полезное свойство трансформаторов о котором расскажем ниже.
И так, например, в домашней электро-розетке напряжение 220 вольт 50 герц (AC — так на схемах и блоках питания обозначают переменное напряжение — AC 220v 50hz), т.е., переменное напряжение, а для питания ноутбука нам нужно 18 вольт постоянного тока (DC — так обозначается постоянное напряжение DC 18v). С помощью трансформатора мы можем преобразовать напряжение до требуемой величины, а затем выпрямить его. После чего, это напряжение будет пригодно для питания Вашего ноутбука. Не совсем понятно? Не хватает термина — Коэффициент трансформации.
Как рассчитать обмотки трансформатора
В нашем примере, 220/18=12,22 это соотношение количества витков обмоток и это значение коэффициента трансформации.
Зная, коэффициент трансформации , этим числом можно посчитать количество витков трансформатора. Если поменять обмотки, т.е., подать напряжение 220 вольт на вторичную обмотку, с первичной мы получим 2688 вольт — но делать так я не рекомендую, транс сгорит сразу или выбьет автомат в щитке.
Допустим, вы знаете что в первичной обмотке транса 2200 витков, а сколько витков должно быть во вторичной обмотке для получения 18 вольт? Все просто, 18 (напряжение в вольтах)*12,22 (коэффициент трансформации) = 220 витков.Как устроен трансформатор?
Простейший трансформатор, это две независимых обмотки связанных магнитопроводом. В первой обмотке создается магнитное поле, затем через магнитопровод передается на вторую обмотку, в которой в зависимости от коэффициента трансформации повышается или понижается. На самом деле, все значительно сложнее, много факторов влияющих на выходное напряжение, но для данного контекста этого достаточно.
Какие бывают трансформаторы?
- — Повышающий трансформатор (высоковольтный) — повышает напряжение до требуемой величины, но снижает ток пропорционально. При повышении напряжения более чем 20-30 раз большое значение имеет КПД трансформатора, как правило для частоты 50 герц это предел, дальше начинаются значительные потери. Для повышения КПД трансформаторов увеличивают частоту, так высоковольтный трансформатор в электро-шокере повышает напряжение до 20-100 тысяч вольт и работает на частотах от 800гц до 2,4кгц. При этом, ток пропорционально снижается.
- — Понижающий трансформатор (силовой) — понижает напряжение до требуемой величины, пропорционально увеличивает допустимый ток. Например сварочный аппарат, снижает напряжение до 50 вольт (в 4,4 раза), увеличивает ток в 4,4 раза. Но для соблюдения этого условия сечение провода во вторичной обмотке тоже, должно быть больше в 4,4 раза.
Автотрансформатор (ЛАТР) — понижающий трансформатор с одной обмоткой, с которой с помощью ручки реостата, получают напряжение от 1 до 180 вольт. Такие трансы используются в лабораторных условиях для проверки различных устройств. В быту используется в некоторых регуляторах напряжения.
Масляный трансформатор — трансформатор монстр! с обмотками трубами, заполненными минеральным маслом. Такие устанавливают в силовых подстанциях для снижения напряжения с 10000 вольт до 220. Если передавать на большое расстояние напряжение в 220 вольт по обычным проводам, потери будут значительны. Как известно, чем выше напряжение, тем меньше влияет сопротивление провода. С ТЭЦ и ГРЭС по Линиям Электро Передач передается вообще 100000 вольт!
Импульсный трансформатор — без него не обходится не один современный электроприбор, будь то ТВ, ноутбук, компьютер или зарядник для телефона. Как правило работает на частотах свыше 800гц в паре с контроллером ШИМ который увеличивает частоту импульсов в возрастанием нагрузки. Гениальное изобретение, позволяющее получать большие токи при скромных размерах. Сравните размеры традиционного сварочного аппарата и сварочного инвертора работающего на этом принципе.
Как отличить первичную обмотку от вторичной в трансформаторе
Существует три основных признака первичной обмотки трансформатора:
1) В понижающем трансформаторе сопротивление первичной обмотки значительно выше, чем вторичной.
2) Как правило, первичная обмотка наматывается более тонким проводом.
3) Первичная обмотка транса наматывается ближе к магнитопроводу для увеличения КПД трансформатора.
4) Если трансформатор запаян в схему, можно посмотреть по выводам. Во вторичной обмотке, как правило включается диодный мостик и за ним электролитический конденсатор большой емкости (от 1000мкф). В первичной, обычно ставят предохранитель.
Подробно, как определить где первичная обмотка смотрите видео ниже.Как прозвонить обмотки трансформатора?
Если в вашем распоряжении цешка или мультиметр, выяснить где и какая обмотка не так сложно. Включаем тестер в режим измерения сопротивления (100ом) и прозваниваем выводы трансформатора. Допустим, тестер показал на одной из обмоток 89ом, на другой всего 7ом — соответственно это вторичка.
В нашей группе ВКонтакте мы собрали видео инструкции от лучших электриков, смотрите и присоединяйтесь к нам!
Как узнать ток холостого хода у трансформатора?
Ток холостого хода — это ток, который транс потребляет без нагрузки, чем он ниже, тем качественнее рассчитан и изготовлен трансформатор. Низкое качество магнитопровода, межвитковое замыкание, неправильное подключение увеличивают ток холостого хода. Этот ток преобразуется в тепло и если он велик (более 20-100ма) транс может сгореть. Переключите тестер в режим измерения тока и включите последовательно с первичной обмоткой трансформатора. по результату измерения, решайте сами не опасно ли использовать такой трансформатор.
