Как работает трансформатор: как устроен и для чего нужен на схеме

Немного истории

Благодаря английскому физику Майклу Фарадею в 1831 году человечество познакомилось с электромагнитной индукцией. Великому ученому не суждено было стать изобретателем трансформатора, так как в его опытах фигурировал постоянный ток. Прототипом устройства можно считать необычную индукционную катушку француза Г. Румкорфа, которая была представлена ​​научному миру в 1848 году.

В 1876 году русский электротехник П. Н. Яблочков запатентовал трансформатор переменного тока с открытым сердечником. Своим современным появлением прибор обязан англичанам братьям Хопкинсон, а также румынам К. Циперановскому и О. Блати. С их помощью конструкция приобрела замкнутый магнитопровод и сохранила контур до наших дней.

Общее устройство и принцип работы трансформаторов

В общем случае трансформатор состоит из двух обмоток, расположенных в общем магнитопроводе. Обмотки выполнены из медного или алюминиевого провода с эмалевой изоляцией, а магнитопровод — из тонких пластин электротехнической стали, изолированных лаком для уменьшения потерь энергии на вихревые токи (так называемые вихревые токи).

Обмотка, которая подключена к источнику питания, называется первичной обмоткой, а обмотка, к которой подключена нагрузка, называется, соответственно, вторичной обмоткой. Если напряжение (U2) вторичной обмотки (W2) трансформатора снимается ниже напряжения (U1), которое подается на первичную обмотку (W1), то указанный трансформатор считается понижающим, а если больше, считается, что это шаг вперед.

Рис.2 Схема общего устройства трансформатора

Металлическая часть, в которой находится электрическая обмотка (катушка), то есть расположенная в ее центре, называется сердечником, в трансформаторах этот сердечник имеет замкнутую конструкцию и является общим для всех обмоток трансформатора, указанный сердечник называется магнитной цепью.

Как было сказано выше, принцип работы трансформаторов основан на законе электромагнитной индукции, чтобы понять, как он работает, представим себе простейший трансформатор, подобный изображенному на рисунке 2, то есть мы имеем магнитопровод, в котором есть 2 обмотки, представьте, что первая обмотка состоит из одного витка, а вторая из двух.

Теперь подадим на первую обмотку напряжение 1 Вольт, ее один виток условно создаст магнитный поток величиной 1 Вб (Для справки: Вебер (Вб) — единица измерения магнитного потока) в магнитопроводе, так как магнитный цепь имеет замкнутую конструкцию, магнитный поток будет течь в ней по окружности при пересечении 2 витков второй обмотки, при этом в каждом из этих витков за счет электромагнитной индукции он индуцирует (индуцирует) электродвижущую силу (ЭДС) величиной 1 Вольт, ЭДС этих двух витков складывается и на выходе второй обмотки получаем 2 вольта.

Таким образом, подав 1 Вольт на первичную обмотку, мы получили 2 Вольта на вторичную обмотку, то есть в этом случае трансформатор будем называть бустерным, потому что он увеличивает подаваемое на него напряжение.

Но этот трансформатор может работать и в обратную сторону, т.е если на вторую обмотку (с двумя витками) подать 2 вольта, то с первой обмотки по тому же принципу мы получим 1 вольт, и в этом случае трансформатор будет можно назвать понижающим трансформатором.

Магнитная система

Изготавливается из легированной трансформаторной стали, феррита, пермаллоя с сохранением геометрической формы для создания магнитного поля привода. Кондуктор строится из пластин, лент, подков, изготавливается в прессе. Часть, на которой расположена обмотка, называется стержнем. Ярмо — элемент без витков, замыкающий цепь.

Принцип работы трансформатора зависит от расположения стоек, которое бывает:

• плоскость – оси ярма и сердечника находятся в одной плоскости;
• пространственные – продольные элементы располагаются на разных поверхностях;
• симметричный — проводники одинаковой формы, размера и конструкции расположены на всех ярмах аналогично друг другу;
• асимметричные – отдельные стойки отличаются внешним видом, размерами и размещаются в разном положении.

Если предполагается протекание постоянного тока по обмотке, которая называется первичной, то магнитопровод размыкается. В остальных случаях сердечник замкнутый, он служит для замыкания линий электропередач.

Обмотки

Они выполнены в виде набора витков, расположенных на проводниках квадратного сечения. Форма используется для эффективной работы и увеличения коэффициента заполнения в окне магнитопровода. Если требуется увеличить сечение сердечника, то его делают в виде двух параллельных элементов для уменьшения возникновения вихревых токов. Каждый из этих проводников называется жилым.

Стержень обернут бумагой, покрыт эмалевым лаком. Иногда две жилы, расположенные параллельно, заключают в общую изоляцию, все вместе называют кабелем. Обмотки различают по назначению:

• основные — к ним подводится переменный ток, выходит преобразованный электрический ток;
• регулирование — предусматривают байпасы для преобразования напряжения в ток малой силы;
• вспомогательный: используется для питания вашей сети мощностью ниже номинала трансформатора и поляризации цепи постоянным током.

Методы упаковки:

• обычная намотка – витки делаются в направлении оси по всей длине проводника, последующие витки наматываются плотно, без зазоров;
• винтовая намотка — многослойная намотка со сближением зазоров между кольцами или примыкающими элементами;
• дисковая намотка — спиральный ряд выполняется последовательно, по кругу, намотка осуществляется в радиальном порядке во внутреннем и внешнем направлениях;
• листовая спираль складывается из широкого листа алюминия и меди, толщина которого колеблется в пределах от 0,1 до 2 мм.

Общие характеристики трансформаторов

К основным техническим характеристикам трансформаторов относятся:

• номинальная мощность;
• номинальное напряжение обмоток;
• номинальный ток обмоток;
• отношение преобразования;
• эффективность;
• количество обмоток;
• рабочая частота;
• количество фаз.

Мощность является одним из основных параметров трансформаторов. В паспортных (заводских) данных трансформатора указывается его полная мощность (обозначается буквой S), она зависит от типа используемого магнитопровода, количества и диаметра витков в обмотках, т е от весогабаритные показатели электромагнитного аппарата.

Мощность измеряется в единицах В ∙ А (Вольт-Ампер). На практике для трансформаторов большой мощности применяют, как правило, кратные вольтамперам).

Фактически у каждого трансформатора есть 2 значения мощности: входная (S1) — мощность, которую трансформатор потребляет из питающей сети и выходная (S2) — мощность, которую трансформатор отдает в подключенную к нему нагрузку, при этом выходная мощность всегда меньше входных за счет электрических потерь в самом трансформаторе (тепловые потери обмоток, потери на вихревые токи и др.) величина этих потерь определяется другим основным параметром — КПД, сокращенно КПД (обозначается буквой η), этот параметр указывается в процентах.

Например, если КПД равен 92 %, это означает, что выходная мощность трансформатора будет на 8 % меньше входной мощности, то есть 8 % составляют потери в трансформаторе.

Формулы расчета мощности:

• Потребляемая мощность: S1=U1х I1, ВА;
• Выходная мощность: S2=U2x I2, ВА;

куда:

• I1, I2 — соответственно токи в первичной и вторичной обмотках трансформатора в амперах;
• U1, U2 — соответственно напряжение первичной и вторичной обмоток трансформатора в вольтах.

Следует помнить, что полная мощность состоит из активной (P) и реактивной (Q) мощностей:
Активная мощность определяется по формуле: P = U x I x cosφ, Вт (Вт)

• Реактивная мощность определяется по формуле: Q = U х I х sinφ, вольт-ампер реактивный (Вар)
• Коэффициент мощности: cosφ=P/S;
• Коэффициент реактивной мощности: sinφ=Q/S

Формулы для расчета КПД (η) трансформатора:

Как уже было сказано выше, КПД определяет величину потерь в трансформаторе, или другими словами КПД трансформатора и определяется соотношением между выходной мощностью (Р2) и входной мощностью (Р1):

η=P2/P1

В результате этого расчета определяется значение КПД в относительных единицах (в виде десятичной дроби), например — 0,92, для получения значения КПД в процентах расчетное значение необходимо умножить на 100%. (0,92*100%=92%).

Чем ближе КПД к 100%, тем лучше, т е идеальным трансформатором является трансформатор, где Р2=Р1, но в реальности из-за потерь в трансформаторе выходная мощность всегда меньше входной мощности.

Это хорошо видно на так называемой энергетической диаграмме трансформатора (рис. 3):

• P1 – активная мощность, потребляемая трансформатором от источника;
• P2 — активная (полезная) мощность, отдаваемая трансформатором приемнику;
• ∆Pэл — электрические потери в обмотках трансформатора;
• ∆Рм — магнитные потери в магнитопроводе трансформатора;
• ∆Рдоп — дополнительные потери в других элементах конструкции.

В режиме холостого хода (работа без нагрузки, подключенной к трансформатору) КПД трансформатора η = 0. Мощность холостого хода P0, потребляемая трансформатором в этом режиме, расходуется на компенсацию магнитных потерь. При увеличении нагрузки в достаточно небольшом диапазоне (примерно β = 0,2) КПД достигает высоких значений. В остальном рабочем диапазоне КПД трансформатора остается на высоком уровне. В режимах, близких к номинальным, КПД трансформатора η ном = 0,9 — 0,98.

Зависимость КПД от нагрузки представлена ​​на следующем графике (рис. 4):

Номинальное первичное напряжение U1n – это напряжение, которое необходимо приложить к первичной обмотке трансформатора для получения номинального вторичного напряжения U2n в режиме холостого хода.

Номинальное вторичное напряжение U2n – это значение, которое устанавливается на зажимах вторичной обмотки при приложении к первичной обмотке номинального первичного напряжения U1n, в режиме холостого хода.

Номинальный первичный ток I1н — это максимальный ток, протекающий в первичной обмотке, т е потребляемый сетевым трансформатором, на который этот трансформатор рассчитан и при котором возможна его длительная работа.

Номинальный вторичный ток I2n — это максимальный ток нагрузки, протекающий во вторичной обмотке, на который рассчитан данный трансформатор и при котором возможна его длительная работа.

Коэффициент трансформации (kt) представляет собой отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки k=W1/W2.

Также кт определяется как отношение напряжений на зажимах обмоток: кт = U1н/U2н.

Для понижающего трансформатора коэффициент трансформации больше 1, а для повышающего меньше 1.

Примечание: для трансформаторов тока kt определяется как отношение номинальных значений первичного и вторичного токов kt=I1n/I2n

Количество обмоток в однофазных трансформаторах обычно две, но может быть и больше. Одно значение напряжения прикладывается к первичной обмотке, а другое значение снимается со вторичной обмотки.

Когда для питания различных устройств требуется разное напряжение, в этом случае вторичных обмоток может быть несколько. Существуют также трансформаторы с общей точкой во вторичной обмотке для двухполярного питания.

Рабочая частота трансформаторов может быть разной. Но при тех же первичных напряжениях трансформатор, рассчитанный на 50 Гц, можно использовать на 60 Гц, но не наоборот. При частоте ниже номинальной увеличивается индукция в магнитопроводе, что может привести к его насыщению и, следовательно, к резкому увеличению тока холостого хода и изменению его формы. При частоте выше номинальной увеличивается величина вихревых токов в магнитопроводе, увеличивается нагрев магнитопровода и обмоток, что вызывает ускоренное старение и разрушение изоляции.

Габариты трансформатора напрямую зависят от частоты тока в цепи, в которой он будет установлен. Разумеется, трансформатор должен быть рассчитан на эту частоту. Эта зависимость обратная, то есть с увеличением частоты значительно уменьшаются габариты трансформатора. Поэтому импульсные блоки питания (с высокочастотными импульсными трансформаторами) гораздо компактнее.

В зависимости от назначения трансформаторы изготавливаются однофазными и трехфазными.

Однофазный трансформатор — это устройство для преобразования электрической энергии в однофазной цепи. В основном он имеет две обмотки, первичную и вторичную, но вторичных обмоток может быть несколько.

Трехфазный трансформатор представляет собой устройство для преобразования электрической энергии в трехфазной цепи. Конструктивно он состоит из трех стержней магнитопровода, соединенных верхним и нижним ярмами. На каждой шине размещены обмотки W1 и W2 высшего (U1) и низшего (U2) напряжения каждой фазы (рис. 5).

Коэффициент трансформации

Определение 2

Коэффициент трансформации в трансформаторе — это величина, показывающая функцию преобразования трансформатора по отношению к одному из параметров электрической цепи: силе тока, напряжению или сопротивлению.

В физике формулы для расчета этой величины представлены следующим образом:

1к=U1U2, где:

• k – коэффициент трансформации;
• U1 — напряжение на первичной обмотке;
• U2 – напряжение во вторичной обмотке.

2к=I2I1, где:

• k – коэффициент трансформации;
• I1 — напряжение на первичной обмотке;
• I2 — напряжение на вторичной обмотке.

3k=N1N2, где:

• k – коэффициент трансформации;
• N1 – число витков первичной обмотки;
• N2 — число витков вторичной обмотки.

Коэффициент трансформации показывает, какой это тип устройства: повышающий или понижающий.

Бывает, что оно возрастает, если напряжение на вторичной обмотке выше, чем на первичной.

Понижение: в том случае, если во второй цепи вырабатывается меньшее напряжение, чем в первичной цепи.

Номинальная мощность, напряжение и ток

Номинальная — мощность, с которой работает трансформатор определенного класса точности и по ГОСТу. Выражается в вольтах, амперах. Допускаются незначительные отклонения мощности, но не более нормируемых значений.

Важно! Во избежание увеличения погрешности вторичной нагрузки суммарное потребление обмоток измерительных приборов и реле не должно превышать номинальной мощности трансформатора. Узнать номинальную мощность можно в паспорте агрегата или на щитке.

Порог номинального напряжения трансформатора 10 кВ.

Разница в зависимости от мощности электроприборов бывает для:

• питание электроприемников — 3-6,3 кВ;
• большие электродвигатели — до 1000В.

Мощность трехфазного трансформатора вычитается по формуле: — S=корень квадратный из цифры 3 UIU — номинальное междуфазное напряжение, В; / — ток в фазе, А. Коэффициенты рабочих токов в обмотках в рабочем состоянии трансформатора не должны быть выше номинальных.Хотя кратковременные перегрузки на масляных и сухих агрегатах до определенных пределов (2,5 — 3.

Закон Фарадея

По закону электромагнитной индукции во вторичной обмотке создается напряжение ЭДС. Он рассчитывается по формуле -U2 = -N2*dΦ/dt.

Ссылка! Фарадея — основной закон электродинамики. В нем говорится, что генерируемая электродвижущая сила равна скорости изменения магнитного потока, но взятой со знаком минус. Открытие сделал Майкл Фарадей, когда в ходе экспериментов заявил, что электродвижущая сила начинает проявляться в проводнике только при изменении магнитного поля. Величина этой силы прямо пропорциональна скорости изменения магнитного поля.

Все факты содержатся в уравнении. Однако знаком минус в законе является правило Ленца, указывающее на появление индуктивного электрического тока при изменении магнитного поля в проводнике. Действие тока направлено на магнитное поле, которое начинает противодействовать изменению магнитного потока.

Правило Ленца не подчиняется законам электродинамики, поскольку индукционный ток возникает как в обмотках, так и в цельных металлических блоках.

Уравнения идеального трансформатора

В таком трансформаторе силовые линии проходят через все ветви первичной и вторичной обмотки. Это означает отсутствие вихревых течений и потерь энергии. Магнитное поле меняется, но порождает одинаковую ЭДС во всех спинах, поэтому становится прямо пропорционально их общему количеству.

Когда мощность поступает из первичной цепи, она преобразуется в магнитное поле, а затем поступает во вторичную цепь.

Формула идеального трансформатора: P1 = I1 • U1 = P2 = I2 • U2:

• R1 – коэффициент поступающей мощности от первой цепи к трансформатору;
• R2 – коэффициент мощности, преобразуемой при вводе во вторичную цепь.

Если напряжение на концах вторичной обмотки увеличится, уровень тока первичной цепи уменьшится. Согласно уравнению: U2/U1=N2/N1=I1/I2, преобразование сопротивления одной цепи в сопротивление другой возможно только путем умножения значения на квадрат отношения.

Режимы работы

Характеристики трансформаторов определяются условиями эксплуатации, где основная роль отводится сопротивлению нагрузки. За основу взяты следующие режимы:

1. Холостой ход. Выходы вторичной цепи находятся в разомкнутом состоянии, сопротивление нагрузки равно бесконечности. Измерение тока намагничивания, протекающего в первичной обмотке, позволяет рассчитать КПД трансформатора. С помощью этого режима рассчитывается коэффициент трансформации, а также потери в сердечнике;
2. Под нагрузкой (работает). Вторичная цепь нагружена некоторым сопротивлением. Параметры тока, протекающего через него, напрямую связаны с соотношением витков катушек.
3. Короткое замыкание. Концы вторичной обмотки закорочены, сопротивление нагрузки равно нулю. Режим сообщает о потерях, возникающих из-за нагрева обмоток, что на профессиональном языке означает «потери меди».
   Режим короткого замыкания

Информация о поведении трансформатора в различных режимах получена опытным путем с использованием схем замещения.

Холостой ход (ХХ)

Такой порядок работы реализуется с момента открытия вторичной сети, после чего протекание электрического тока в ней прекращается. В первичной обмотке протекает ток холостого хода, его составным элементом является ток намагничивания.

Когда вторичный ток равен нулю, ЭДС индукции в первичной обмотке полностью компенсирует напряжение питания, и, таким образом, при потере токов нагрузки ток, протекающий через первичную обмотку, соответствует по величине току намагничивания.

Функциональное назначение холостого хода трансформаторов заключается в определении их важнейших параметров:

• Эффективность;
• индикатор трансформации;
• потери в магнитопроводе.

Режим нагрузки

Режим характеризуется работой устройства, когда на входы первичной цепи подается напряжение, а нагрузка подключается ко вторичной. Через «вторичку» идет зарядный ток, а в первичке — полный зарядный ток и ток холостого хода. Этот режим работы считается преимущественным для устройства.

Основной закон ЭДС индукции отвечает на вопрос, как работает трансформатор в основном режиме. Принцип следующий: приложение нагрузки к вторичной обмотке вызывает образование во вторичной цепи магнитного потока, который формирует зарядный электрический ток в сердечнике. Он направлен в сторону, противоположную его потоку, создаваемому первичной обмоткой. В первичной цепи не соблюдается паритет ЭДС подачи электроэнергии и индукции, в первичной обмотке электрический ток увеличивается до тех пор, пока магнитный поток не вернется к исходному значению.

Короткое замыкание (КЗ)

Переход аппарата в этот режим осуществляется при коротком замыкании вторичной цепи. Короткое замыкание — особый вид нагрузки, приложенная нагрузка, сопротивление вторичной обмотки, единственное.

Принцип работы трансформатора в режиме короткого замыкания следующий: на первичную обмотку поступает незначительное переменное напряжение, вторичные выводы замыкаются накоротко. Входное напряжение регулируется таким образом, чтобы значение тока замыкания соответствовало значению номинального электрического тока устройства. Значение напряжения определяет потери энергии, приходящиеся на нагрев обмоток, а также на активное сопротивление.

Этот режим характерен для измерительных приборов.

Исходя из разнообразия устройств и типов назначения трансформаторов, можно с уверенностью сказать, что на сегодняшний день это незаменимые устройства, применяемые практически повсеместно, обеспечивающие стабильность и достижение требуемых потребителем значений напряжения, как гражданских сетей, так и промышленных сетей предприятий

Классификации

Трансформаторы классифицируются по ряду параметров, таких как:

• Встреча. Их применяют: для изменения напряжения, измерения тока, защиты электрических цепей, например промежуточных и лабораторных приборов.
• Способ установки. В зависимости от места расположения и мобильности трансформатор может быть: стационарным, переносным, внутренним, наружным, опорным, шинным.
• Количество шагов. Устройства делятся на одноступенчатые и каскадные.
• Номинальное напряжение. Бывают низкого и высокого напряжения.
• Изоляция обмотки. Наиболее широко используется составная, сухая, масляно-бумажная.

Также преобразовательные устройства различаются по видам, каждый из которых имеет свою систему классификации.

Силовой

Самый распространенный силовой трансформатор. Устройства с прямым преобразованием переменного напряжения, рассчитанные на большую мощность, востребованы в различных областях электроэнергетики. Применяются на ЛЭП напряжением 35–1150 кВ, в городских электросетях, работающих напряжением 6 и 10 кВ, в питании конечных потребителей напряжением 220/380 В. С помощью приборов, различных установок и Электрические устройства питаются в диапазоне от долей до сотен тысяч вольт.

Измерительные

Трансформаторы тока (ТТ) снижают ток до требуемых уровней. Схема их работы отличается последовательным включением первичной обмотки и нагрузки. При этом вторичная обмотка, находящаяся в состоянии, близком к короткому замыканию, используется для подключения измерительных приборов, устройств запуска и индикации. С помощью ТА осуществляется гальваническая развязка, позволяющая отклонить шунты при измерениях.

С помощью трансформаторов напряжения (ТН), то же, что и ТА только по напряжению. Помимо преобразования входных параметров электрооборудование и его отдельные элементы защищены от высокого напряжения.

Импульсный

При необходимости преобразования сигналов импульсного характера применяют импульсные трансформаторы (ИТ). Изменяя амплитуду и полярность импульсов, приборы сохраняют их длительность и практически не влияют на форму.

Автотрансформатор

В автотрансформаторах обмотки образуют цепь и взаимодействуют посредством электромагнитной и электрической связи. В отличие от других типов преобразователей, устройства могут содержать только 3 выхода, что позволяет работать с разными напряжениями. Устройства выделяются высоким КПД, что особенно заметно при незначительной разнице входного и выходного напряжения.

Без гальванической развязки представители этого типа повышают риск возникновения высоковольтного разряда на нагрузке. Надежное заземление и низкий коэффициент трансформации являются предпосылками для работы устройства. Недостаток компенсируется меньшей материалоемкостью изготовления, компактностью и массой, стоимостью.

Разделительный

Для разделительных трансформаторов исключается взаимодействие между обмотками. Устройства повышают безопасность электрооборудования при повреждении изоляции.

Согласующий

Согласующие трансформаторы используются для согласования сопротивлений между каскадами электронных цепей. При сохранении формы сигнала они выполняют роль гальванической развязки.

Пик-трансформатор

С помощью пикового трансформатора синусоидальное напряжение преобразуется в импульсное. В этом случае импульсы меняют полярность через каждые полпериода.

Сдвоенный дроссель

Особенностью сдвоенного дросселя является идентичность обмоток. Взаимная индуктивность катушек делает его более эффективным, чем стандартные дроссели. Устройства используются в качестве входных фильтров в источниках питания, в звуковой и цифровой технике.

Сварочный

Помимо вышеперечисленного, существует понятие сварочных трансформаторов. Специализированные сварочные аппараты снижают напряжение домашней сети при одновременном увеличении тока, измеряемого тысячами ампер. Регулировка последних осуществляется делением обмоток на сектора, что отражается на индуктивном сопротивлении.

Тока

Можно соединить первичную обмотку последовательно в электрическую цепь с другими приборами и получить гальваническую развязку. Такие устройства называются трансформаторами тока. Первичная цепь таких устройств управляется коммутацией однофазной нагрузки, а вторичная обмотка используется в измерительных приборах или цепях сигнализации. Второе название приборов – измерительные трансформаторы.

Особенностью работы приборных трансформаторов является особый режим работы выходной обмотки. Работает в режиме критического короткого замыкания. При обрыве вторичной цепи в ней возникает сильный скачок напряжения, что может привести к пробою или повреждению изоляции.

Трансформатор тока

Напряжения

Типичным применением является изоляция логических цепей защиты от высокого напряжения для измерительных приборов. Трансформатор напряжения — это понижающее устройство, которое преобразует высокое напряжение в более низкое.

Воздушные и масляные

Силовые трансформаторы бывают сухими (с воздушным охлаждением) (см рис. 7) и масляными (см рис. 8).

Модели с сухим силовым трансформатором чаще всего используются для преобразования сетевых напряжений даже в трехфазных сетях.

Рисунок 7. Трехфазный сухой трансформатор

При подключении нагрузки обмотки нагреваются, что грозит разрушением электроизоляции. Поэтому в сетях с напряжением выше 6 кВ работают аппараты с масляным охлаждением. Специальное трансформаторное масло повышает надежность изоляции, что очень важно при больших мощностях.

Рис. 8. Конструкция промышленного масляного трансформатора

Вращающиеся

Они используются для обмена сигналами с вращающимися барабанами. Конструктивно они состоят из двух половинок магнитопровода с катушками. Эти части вращаются друг с другом. Обмен сигналами происходит при высоких скоростях вращения.

Конструктивные особенности трансформаторов

В основе конструкции устройства вторичная и первичная обмотки, сердечник из ферромагнитного сплава (обычно закрытого типа). Обмотки размещены на магнитопроводе, они индуктивно связаны между собой. Благодаря наличию магнитного узла аккумулируется значительная часть магнитного поля и повышается КПД устройства. Сам магнитопровод представляет собой комплекс металлических пластин, покрытых изоляцией. Изоляция необходима для предотвращения вихревых токов в сердечнике.

Обозначение на схемах

Трансформаторы наглядно представлены на электрических схемах. Символически изображаются обмотки, которые разделены магнитопроводом в виде толстой или тонкой линии (см рис. 9).

Пример обозначения

На схемах трехфазного трансформатора обмотки начинаются со стороны сердечника.

Области применения

Помимо преобразования напряжения в электрических сетях, трансформаторы часто используются в источниках питания электронных устройств. В основном это автотрансформаторы, выдающие одновременно различные напряжения для различных узлов.

Сегодня бестрансформаторные блоки питания используются все больше и больше. Однако там, где требуется мощный переменный ток, без электромагнитных устройств не обойтись.

Как правильно подключить

Обычному человеку сложно разобраться во всех тонкостях электричества, но при использовании в быту понижающего трансформатора важно понимать, как осуществляется процесс подключения.

Бывает, что необходимо подключить агрегат сразу к нескольким потребителям.

Стоит знать:

1. При подключении трансформатора сразу к нескольким потребителям важно учитывать количество выходных клемм.
2. Суммарное потребление энергии жильцами должно быть таким же, как у трансформатора, или чуть меньше. По мнению экспертов, второй идеальный показатель на 20% выше первого%.
3. Агрегат подключается через электропроводку, размер которой не должен быть слишком большим. 2 м достаточно при установке светодиодного освещения, чтобы избежать потерь энергии.
4. Суммарная мощность электроприборов не должна превышать мощность трансформатора.

Если посмотреть на схему подключения понижающего трансформатора, то видно, что он монтируется между распределительной коробкой 220Вт и лампами накаливания. Провода от распределительной коробки подключаются непосредственно к выключателю.

Дополнительная информация! Стоит изначально определить правильное место установки электрического понижающего трансформатора. Нельзя старательно прятать его от посторонних глаз, ведь доступ для разборки или замены должен быть свободным. При этом потребляемая мощность не меньше мощности трансформатора; в противном случае процесс установки запрещен.

При подключении важно, чтобы все уравнения, относящиеся к модели устройства, совпадали. Фаза также важна, если несколько устройств подключены параллельно к цепи одновременно. Чтобы избежать больших потерь мощности, фазы должны быть правильно соединены между собой, чтобы образовать замкнутую цепь. При несовпадении фаз нагрузка увеличится, а мощность уменьшится. Может произойти короткое замыкание.

Важно! Посмотрите на фото упрощенный вид трансформатора.

Трансформатор представляет собой электромагнитное устройство. Увеличьте или уменьшите напряжение переменного тока. В нем нет движущихся частей. Так что это статично. Он может быть размером с трехэтажное здание или миниатюрным, который умещается в вашей руке. Он состоит из сердечника и нескольких обмоток, расположенных в магнитопроводе. Хотя он может содержать только одну обмотку без сердечника.

При работе трансформатора включается принцип электромагнитного взаимодействия. Переменный ток подается на первичную обмотку, меняя направление дважды за цикл. Это означает, что вокруг обмотки образуется магнитное поле, но оно исчезает каждую секунду. Вторичная обмотка является проводником электромагнитного взаимодействия. Там индуцируется напряжение.

Конечно, обычному человеку сложно понять конструкцию и назначение устройства. Для ознакомления можно просто разобрать, прозвонить, подключить или разобрать в домашних условиях.

Вопросы об устройстве трансформатора

Почему расстояние между катушками минимально?
Это сделано для лучшего контакта магнитных полей. Если зазор большой, то КПД трансформатора будет низким.

-Можно ли сделать трансформатор без сердечника, аналогичный силовому трансформатору без сердечника?
Да, но тогда вам придется увеличить количество витков, чтобы увеличить магнитный поток. Например, при одном сердечнике обмотки могут иметь несколько тысяч витков. А без сердечника придется увеличивать магнитный поток за счет витков. А количество витков будет несколько десятков тысяч. Это не только увеличивает размер катушек, но и снижает их эффективность и увеличивает вероятность перегрева.

Можно ли использовать понижающий трансформатор как повышающий?
Если у вас есть трансформатор, снижающий напряжение сети с 220 В до 12 В, вы можете подключить его как усилитель. То есть можно подать на него во вторичной обмотке переменное напряжение 12 В, а в первичной 220 В увеличить.

Что произойдет, если на вторичную обмотку понижающего трансформатора поступит сетевое напряжение?
Тогда обмотка сгорит. Его сопротивление, количество витков и сечение провода не рассчитаны на такие напряжения.

-Можно ли сделать трансформатор своими руками в домашних условиях?
Да, это вполне реально. И так делают многие радиолюбители и электронщики. А некоторые до сих пор зарабатывают на продаже готовой продукции. Но стоит помнить, что это долгая, сложная и непростая работа. Вам нужны качественные материалы. Это железные трансформаторы, эмалированные медные провода различного сечения, изоляционные материалы.

Все материалы должны быть высокого качества. Если медный провод имеет плохую изоляцию, в нем может произойти короткое замыкание между витками, что неизбежно приведет к перегреву. А для начала нужно рассчитать все параметры будущего трансформатора. Это можно сделать с помощью различных программ, доступных в сети.

Далее идут долгие часы сборки. Особенно, если вы решили намотать тороидальный трансформатор.

Наматывать витки нужно крепко и ровно, записывать каждый десяток, чтобы не запутаться и не изменить характеристики будущего преобразователя или блока питания.

Что будет, если включить трансформатор без сердечника?
Так как трансформатор изначально рассчитывался с одним сердечником, полностью преобразовать напряжение он не сможет. То есть во вторичке что-то будет, но явно не те параметры. А если подключить нагрузку к обмоткам без сердечника, то они быстро нагреются и сгорят.

Почему сердечник не делают сплошным

Сердечники (магнитопроводы) изготавливают из железных пластин, так как при работе возникают вихревые токи. Их еще называют вихревыми токами. Эти токи возникают от токосъемных обмоток в сердечнике. В результате сердечник может перегреться и даже расплавить катушки.

Поэтому у трансформаторов низкой частоты сердечники выполняются из изолированных друг от друга пластин.

Пластины можно покрыть лаком или изолировать бумагой. Это уменьшает короткие замыкания на платах.

Можно ли сделать ядро ​​твердым? Это может быть сделано. А в импульсных трансформаторах сердечники сделаны из ферромагнитного порошка, в котором частицы изолированы друг от друга. Его называют ферродиэлектрическим сердечником. Но это возможно только на высоких частотах, на которых работает импульсный трансформатор.

Неисправности трансформаторов

К основным неисправностям трансформатора относятся:

• Коррозия и ржавчина в сердцевине;
• Перегрев и нарушение изоляции;
• Короткое замыкание между витками;
• Деформация корпуса, обмоток и сердечника
• Попадание воды в обмотку.

Как проверить на целостность

Трансформатор можно проверить обычным мультиметром. Установите мультиметр в режим измерения сопротивления и проверьте обмотки.

Они никогда не должны нервничать. Если нигде нет обрыва, найти первичную и вторичную обмотки можно путем измерения сопротивления. Первичная обмотка понижающего трансформатора будет иметь большее сопротивление, чем вторичная. Все упирается в количество кругов. Чем больше витков и меньше диаметр провода, тем выше сопротивление обмотки.

Также можно найти паспорт на свой трансформатор. Там указано сопротивление обмоток и их параметры, которые нужно будет проверить мультиметром.

Безопасная проверка работы трансформатора

Если вы решили намотать свой трансформатор или проверить старый, обязательно подключите лампочку в разомкнутую цепь (последовательно!). Если что-то пойдет не так, лампочка включится и возьмет на себя ток, и вы сможете спасти неисправный трансформатор.

Интересные факты про трансформаторы

Трансформатор является наиболее эффективным преобразователем. Его КПД (коэффициент полезного действия) может достигать 99% (силовые трансформаторы). А вот для двигателя внутреннего сгорания (ДВС) КПД обычно не превышает 30%.

Наиболее эффективным, но в то же время и самым сложным в изготовлении является тороидальный трансформатор. Он эффективен за счет расположения катушек и магнитопровода. Это усложняет производственный процесс, особенно в промышленных масштабах.

Техника безопасности

При эксплуатации необходимо соблюдать определенные правила:

• при появлении трещин в корпусе, шума или вибрации автотрансформатор сразу отключается;
• запрещается оставлять без присмотра оборудование, за которым предусмотрен постоянный контроль;
• двигатель, мощность которого более чем на 70% превышает мощность автотрансформатора, подключать нельзя;
• эти устройства нельзя использовать открытыми, накрытыми, закрытыми вентиляционными отверстиями, размещать на них другое оборудование или предметы.

При ремонте автотрансформатора или устройства, в состав которого он входит, необходимо отключить его от сети.