Для чего нужен повышающий трансформатор

Открытие в далёком 1831 году великим учёным Фарадеем принципа электромагнитной индукции позволило по-новому взглянуть на многие законы электротехники. Именно основываясь на взаимодействие электромагнитных полей, через 45 лет после этого великий русский учёный П. Н. Яблочков получил патент на изобретение трансформатора. Классическое определение звучит так: трансформатор — это электрическое устройство, преобразующее ток первичной обмотки одного напряжения, в ток вторичной обмотки с другим напряжением.

Индукционный эффект образуется при изменении электромагнитного поля, поэтому для работы трансформатора необходимо наличие напряжения с переменным током. Трансформация (передача) осуществляется преобразованием электрической энергии первичной обмотки в магнитное поле, а затем, во вторичной обмотке происходит обратное преобразование магнитного поля в электрическую энергию. В случае если количество витков вторичной обмотки будет превышать число витков первичной обмотки, то устройство будет называться повышающим трансформатором. При подключении обмоток в обратном порядке, получается понижающее устройство.

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:

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.

Достоинства и недостатки сердечников

• Наборные чаще применяются для устройства магнитопроводов с произвольным сечением, ограничивающимся только шириной пластин. Лучшие параметры имеют устройства трансформации напряжения с квадратным сечением. Недостатком такого типа сердечника считается необходимость плотного стягивания пластин, малый коэффициент заполнения пространства катушки, а также повышенное рассеивание магнитного поля устройства.
• Витые сердечники намного проще наборных в сборке. Весь сердечник Ш-образного типа состоит из четырёх частей, а П-образный тип имеет только две части в своей конструкции. Технические характеристики такого трансформатора гораздо лучше, нежели чем наборного. К недостаткам можно отнести необходимость минимального зазора между частями. При физическом воздействии пластины частей могут отслаиваться, и, в дальнейшем очень трудно добиться плотного их прилегания.
• Тороидальные сердечники имеют форму кольца, которое свито из трансформаторной железной ленты. Такие сердечники имеют самые лучшие технические характеристики и практически полное исключение рассеивания магнитного поля. Недостатком считается сложность намотки, особенно проводов с большим сечением.

В трансформаторах Ш-образного типа все обмотки обычно делаются на центральном стержне. В П-образном устройстве вторичная обмотка может наматываться на один стержень, а первичная — на другой. Особенно часто, встречаются конструктивные решения, когда разделённые пополам обмотки наматываются на оба стержня, а после соединяются между собой последовательно. При этом существенно сокращается расход провода для трансформатора, и улучшаются технические характеристики прибора.

Технические характеристики

Основными характеристиками при эксплуатации трансформатора считаются:

• Напряжение входное.
• Величина напряжения на выходе.
• Мощность прибора.
• Ток и напряжение холостого хода.

Величина отношения напряжений на входе и выходе устройства называется коэффициентом трансформации. Это соотношение зависит только от количества витков в обмотках и остаётся неизменным при любом режиме функционирования устройства.

От диаметра проводов и от типа сердечника напрямую зависит мощность трансформатора, которая со стороны первичной намотки равна сумме мощностей вторичных обмоток, за исключением потерь.

Напряжение, получаемое на выходной обмотке устройства, без подключения нагрузки, называется напряжением холостого хода. Разница между этим показателем и напряжением с нагрузкой указывает на величину потерь за счёт разного сопротивления проводов обмотки.

От качественных показателей сердечника трансформатора полностью зависит величина тока холостого хода. В идеальном случае, ток первичной обмотки создаёт в сердечнике устройства магнитное поле переменного значения, по величине электродвижущая сила которого равна току холостого хода и противоположна по направлению. Но вот в реальности величина электродвижущей силы всегда меньше напряжения на входе, за счёт возможных потерь в сердечнике.

Именно поэтому для уменьшения величины тока холостого хода, требуется материал высокого качества при изготовлении сердечника и минимальный зазор между его пластинами. Таким условиям в большей мере соответствуют тороидальные сердечники.

Типы устройств

В зависимости от мощности, конструкции и сферы их применения, существуют такие виды трансформаторов:

• Автотрансформатор конструктивно выполнен как одна обмотка с двумя концевыми клеммами, а также в промежуточных точках устройства имеются несколько терминалов, в которых располагаются первичные и вторичные катушки.
• Трансформатор тока включает в себя первичную и вторичную обмотку, сердечник из магнитного материала, а также оптические датчики, специальные резисторы, позволяющие ускорять способы регулировки напряжения.
• Силовой трансформатор — это устройство, передающее ток, при помощи индукции электромагнитного поля, между двумя контурами. Такие трансформаторы могут быть повышающими или понижающими, сухими или масляными.
• Антирезонансные трансформаторы могут быть как однофазными, так и трёхфазными. Принцип работы такого устройства мало чем отличается от трансформаторов силового типа. Конструктивно представляет собой устройство литого типа с хорошей теплозащитой и полузакрытой структурой. Трансформаторы антирезонансного типа применяются при передаче сигнала на большие расстояния и в условиях больших нагрузок. Идеально подходят для работы в любых климатических условиях.
• Заземляемые трансформаторы (догрузочные). Особенностью этого типа является расположение обмоток в форме звезды или зигзага. Часто заземляемые приборы применяют для подключения счётчика электрической энергии.
• Пик — трансформаторы используются в устройствах радиосвязи и технологиях компьютерного производства, по принципу отделения постоянного и переменного тока. Конструкция такого трансформатора является упрощённой: обмотка с определённым количеством витков расположена вокруг сердечника из ферромагнитного материала.
• Разделительный домашний трансформатор применяется при передаче энергии переменного тока к другому устройству или оборудованию, блокируя при этом способности источника энергии. В бытовых условиях такие приборы обеспечивают регулирование напряжения и гальваническую развязку. Чаще всего применяются для подавления электрических помех в чувствительных приборах и защиты от вредного воздействия электрического тока.

Обслуживание и ремонт

Желательно человеку, не знающему принцип действия электротехнических приборов, не заниматься ремонтными работами этого оборудования, из-за возможности поражения электрическим током. При ремонте и обслуживании трансформаторных устройств, единственное, что можно исправить, без недопустимых последствий, это перемотка трансформатора.

Перед началом любых ремонтных работ необходимо произвести проверку трансформатора:

• Первым делом необходимо оценить состояние прибора при помощи визуального осмотра, так как порой, потемневшие и вздувшиеся участки, прямо указывают на неисправность обмотки трансформатора.
• Определение правильности подключения устройства. Электрический контур, генерирующий магнитное поле обязательно должен быть подключён к первичной обмотке прибора. А вот вторая схема, потребляющая энергию трансформатора, должна быть включена в обмотку выходного напряжения.
• Фильтрация выходного сигнала фазы определяется как для диодов и конденсаторов на вторичной обмотке устройства.
• Следующим шагом нужно подготовить прибор к контрольному измерению параметров, т. е. снять защитные панели и крышки, чтобы получить свободный доступ к элементам схемы. С помощью тестера нужно в дальнейшем произвести измерение напряжения трансформатора.
• Для проведения измерений, нужно подать питание на схему устройства. Измерение параметров первичной обмотки проводится тестером в режиме переменного тока. Если полученное значение меньше чем на 80% от ожидаемого, то неисправность может быть как в самом трансформаторе, так и в схеме всего устройства.
• Проверку выходной обмотки осуществляют при помощи тестера. При этом проверяем обмотку как на возможность появления короткозамкнутых витков, так и на обрыв провода намотки катушки, по принципу измерения сопротивления (если сопротивление мало — то есть вероятность короткозамкнутых витков, а в случае когда сопротивление обмотки велико — обрыв).

После перемотки повышающего трансформатора напряжения, в случае неисправности обмотки, нужно собрать его в обратной последовательности, при этом особое внимание необходимо уделить наиболее плотному прилеганию пластин сердечника.

Самостоятельное изготовление или ремонт устройства предоставляется процессом очень сложным и трудоёмким. Для выполнения таких работ потребуется наличие необходимых материалов, а также умение производить некоторые специальные расчёты. В частности, нужно будет точно рассчитать количество витков в обмотке трансформатора, диаметр проводов для обмотки, а также сечение и тип сердечника устройства.

Поэтому лучше обратиться для проведения этих операций к квалифицированному человеку, знакомому с основными понятиями и свойствами электротехники и расчётами по необходимым формулам.

Электротрансформатором называют электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования электрического тока и напряжения. Он представляет собой одну или несколько обмоток, намотанных на магнитопровод из слоистого ферромагнетика, хотя встречаются и варианты последнего.

С работой трансформатора мы сталкиваемся ежедневно, хотя многие из нас никогда его в глаза не видели. Зато все знают, что во дворе у них стоит трансформаторная будка, на которой написано: «высокое напряжение опасно для жизни». Рядом нарисована молния.

Откуда он появился

В начале XIX века ученые изучали свойства магнитного поля. И экспериментально было показано, что переменное магнитное поле способно создавать ток: его фиксировали приборами на проводнике. При этом долгое время никто не измерял его величину.

К середине того же века были изучены свойства ферромагнетиков и параметры магнитного поля, появился даже прообраз трансформатора — катушка Румкорфа. Наконец, в 1876 году русский ученый П. Н. Яблочков запатентовал первый в мире стержневой трансформатор.

Чуть позже в Англии стали производить первые трансформаторы с замкнутым сердечником, которые и стали прообразом почти всех современных устройств этого типа. Все дальнейшие работы велись в направлении усовершенствования, и основывались они на изучении эксплуатационных свойств этого устройства. Так, были введены сердечники из слоистого материала, масляное охлаждение. В СССР распространение трансформаторов шло вместе с электрификацией всей страны, с конца 20-х годов прошлого века.

Что делает трансформатор

Принцип работы основан на электромагнитной индукции. Переменный ток создает вокруг проводника переменное магнитное поле, а оно, изменяясь, создает электродвижущую силу.

Когда мы подаем напряжение на первичную обмотку, ток в этой обмотке создает переменный магнитный поток. Он действует как на первую обмотку, так и на вторую, создавая в ней ЭДС. При включении в сеть потребителя в обмотке появляется электрический ток.

Схема эта работает только на переменном токе. При постоянном токе магнитный поток не меняется, и если вторичную обмотку в поле такого тока не вращать руками (что в нашем случае и не получится), то никакой ЭДС оно создавать не будет.

Упрощенное математическое выражение работы

Когда-то М. Фарадей проводил эксперимент, который показал, что напряжение в петле, представляющей собой проводник, зависит от изменения магнитного потока через эту петлю за единицу времени:

Когда у нас таких петель много, к примеру, N, то и равенство будет выглядеть немного по-другому:

Соответственно, на первой и на второй обмотках напряжения будут:

Поскольку магнитный поток и время для наших обмоток — одна и та же величина, то можно найти соотношение между напряжениями в обмотках:

И это n называется коэффициентом трансформации напряжения.

Если принять в качестве допущения, что всю свою мощность первая обмотка трансформирует в магнитный поток, а тот, в свою очередь, создает такую же мощность во второй, то получим следующее:

А если у нас P1=P2, то U1/U2=I2/I1

Тут надо заметить, что в трансформаторах тока коэффициент n представляет собой как раз обратную величину, но о разновидностях мы поговорим позже.

Представленные выше закономерности работают как идеальные. В реальности же работа трансформатора осложнена рядом побочных явлений, которые влияют и на работу самого устройства, и на работу сети в целом. Перечислим эти явления:

1. Ток холостого хода. Наблюдается при включении трансформатора в виде резкого скачка и может привести к выходу из строя коммутационного оборудования, поэтому его учитывают при проектировании.
2. Паразитные емкости и индуктивности. Образуются они в результате соседства проводников под напряжением в обмотке. В принципе, ими можно пренебречь, пока речь не идет о высоких частотах или перегрузках в цепи. Они ярко себя показывают во время грозы, приводя к неравномерным колебаниям напряжения с разным итогом — от падения напряжения до пробоя и выхода из строя. В высокочастотных трансформаторах паразитная индуктивность вносит уже существенные изменения в работу устройства, в котором такие трансформаторы стоят. Борются с этим явлением заземлением экрана между обмотками, применением хороших изоляторов для обмотки проводника.
3. Побочные эффекты работы магнитного поля в ферромагнетиках сердечника. В железе, кобальте и никеле существует такое явление, как остаточная намагниченность, которое вносит свои коррективы в изменение напряжения в обмотках, вплоть до того, что оно все меньше напоминает по графику синусоиду. Помимо этого, магнитное поле индуцирует в сердечнике паразитные токи Фуко, что ведет к перегреву трансформатора. Проблемы эти отчасти решаются слоистой структурой сердечника, но не до конца.

Виды изделий

Сейчас мы опишем некоторую часть этих преобразователей и особенности их конструкции.

Силовой преобразователь

Это устройство, работающее в сетях и служащее для повышения или понижения напряжения в процессе электропередачи. В крупных энергосистемах напряжение, вырабатываемое электростанцией, сперва повышают до нескольких сотен вольт (а то и до мегавольта), чтобы уменьшить потери при передаче. Затем уже в регионах ставят понижающие трансформаторы, и таким образом в несколько приемов электроэнергия доходит до вашей квартиры. Последний трансформатор, который стоит перед вашим домом, понижает напряжение с 10 кВ до 220 В.

Поскольку линии передач у нас трехфазные, со сдвигом 120 градусов, то в вашей дворовой будке стоят три катушки, и напряжение между вторичными обмотками двух любых из них составляет 400 (по факту со включенными нагрузками — 380) вольт. А между любой из фаз и нейтралью — 220. Поэтому на двери подстанции и значится «10 кВ/400 В/220 В». Выпускаются такие изделия стержневого и броневого типов.

Также понижающий трансформатор стоит в ряде устройств бытовой техники, где 220 В преобразует в 12.

Измерительные трансформаторы

Их можно встретить на больших подстанциях и предприятиях энергоснабжения. Применяются они для измерения параметров высоковольтных сетей, поскольку измерительную аппаратуру при высоком напряжении подключить попросту невозможно. Принципиально они не отличаются от силовых, все дело в режиме работы и схеме подключения.

Для точности измерений такие трансформаторы включают в сеть таким образом, чтобы они оказывали как можно меньшее влияние на измеряемые показатели.

Поскольку эти устройства предназначены для замеров соответствующих параметров, к ним предъявляются определенные требования по классу точности. Измерения происходят в масштабе, и если отклонения во вторичной обмотке будут и невелики, то в первичной они будут выше во много раз — то есть их нужно умножить на коэффициент трансформации. Поэтому такие трансформаторы подлежат регулярным проверкам.

Импульсные варианты

Предназначены для преобразования напряжения и тока, имеющих импульсный (не синусоидальный) график изменения. Задача такого элемента в цепи заключается в том, чтобы передать импульс без искажения его формы, что довольно сложно, если вспомнить о паразитных индуктивностях и емкостях, а также о свойствах сердечника. Поэтому при расчете таких трансформаторов особое внимание уделяют именно последнему — он должен обладать хорошей индуктивностью и при этом не стать причиной «размазывания» сигнала.

Говоря об импульсных электротрансформаторах, нельзя не упомянуть о пик-трансформаторах, задача которых — преобразовать синусоидальный сигнал в импульсный. Чтобы этого достичь, пользуются двумя методами:

1. в первичную обмотку последовательно ставят большое сопротивление;
2. между обмотками ставят магнитный шунт.

И в том, и в другом случае упор делается на изменение характеристик магнитного потока, изменение которого и определяет форму сигнала во вторичной обмотке.

Сварочные устройства

Это — разновидность понижающего, и причиной конструктивных отличий этого преобразователя от остальных является режим его эксплуатации. Если простой трансформатор работает под нагрузкой, то сварочный — на коротком замыкании. Соответственно, он должен выдерживать высокие токи, которые протекают по его вторичной обмотке. Ток, конечно, стараются минимизировать, поставив обмотки подальше друг от друга, но сама суть процесса дуговой сварки тока требует. Поэтому сечение провода во вторичной обмотке делается большим, а кабели, которые сварщики за собой таскают, хорошо изолированы.

Автотрансформаторы

Это не классические преобразователи: в них нет разделения на первичную и вторичную обмотку в прямом смысле слова, они соединены друг с другом напрямую.

Изменение напряжения достигается путем изменения числа витков. Чаще всего у таких устройств есть третий вывод, а в некоторых случаях они имеют регулировку.

Автотрансформаторы нашли свое применение там, где большой коэффициент трансформации не нужен, например, в стабилизаторах. Они в определенных пределах позволяют подогнать напряжение под норматив, требуемый нагрузкой.

В настоящее время часто встречаются в лабораториях и, как ни странно, на железной дороге. Подобная схема обеспечивает бесперебойность питания на длинных дистанциях пути при минимуме потерь.

Это далеко не все разновидности этого преобразователя как по конструкции, так и по назначению. Писать о применении трансформатора можно долго: он занял свое прочное место в электроэнергетике и радиоэлектронике уже давно. А пока мы лучше разберемся с его устройством.

Устройство трансформатора

Трансформатор состоит из двух обязательных компонентов — магнитопровода и обмоток. Но для его полноценной работы и безопасной эксплуатации имеют значение и другие составляющие этого устройства. Перечислим их:

1. основание для обмоток (каркас);
2. изоляция;
3. система охлаждения.

По своей конструкции трансформаторы могут выполняться в стержневом, броневом и тороидальном исполнении, различие между которыми состоит в форме сердечника.

Магнитопровод и его особенности

Это сердечник, является основой трансформатора. Основное требование к этой детали — хорошая магнитная проницаемость. Именно поэтому изготовляют его из ферромагнетиков — материалов на основе железа и никеля. Это прежде всего трансформаторная сталь, феррит и пермаллой. Магнитопровод не представляет собой что-то монолитное, а составлен из свернутой ленты или пластин; иногда он прессуется (феррит). Такая технология нужна для того, чтобы снизить влияние побочных факторов на работу устройства — таких, как токи Фуко.

Чаще всего магнитопровод имеет замкнутую структуру, разомкнутая встречается редко.

Существуют трансформаторы с медным магнитопроводом или даже устроенные без него — они нашли свое применение в высокочастотных приборах.

Обмотки проводника

Витки проводника, образующие электрическую цепь и создающие ЭДС.

Проводник изготавливается из меди, а его внутреннее устройство зависит от назначения трансформатора и параметров тока и напряжения. Так, преобразователи в приборах с низкими напряжениями содержат проводник в виде обычной медной проволоки, а вот обмотки силовых трансформаторов представляют собой многожильные кабели, где каждая жила хорошо изолирована.

Располагаются обмотки относительно друг друга двумя способами. При первом они представляют собой две отдельные катушки, при втором первичная и вторичная намотаны на одну, при этом они могут располагаться как рядом, так и одна на другой (в вашем дворе именно так).

Иногда обмоток несколько. Так, существуют трансформаторы, чаще всего применяемые в блоках питания, где вторичные обмотки выдают напряжение 3, 6, 9 и 12 В

Виды изоляции

В качестве изолирующих материалов применяют пластик, бумагу, резину, причем их толщина зависит от напряжения в цепи. Если преобразователь внутри электронного устройства не нуждается в тщательной изоляции, то, к примеру, измерительный или понижающий без этого обойтись не могут. В качестве изолятора в силовых и измерительных трансформаторах применяется трансформаторное масло. Оно делается из нефтепродуктов и несет ряд важных функций. К ним относятся:

1. Изоляция компонентов друг от друга и всего устройства от случайно проникших в трансформаторную граждан.
2. Охлаждение устройства.
3. Предохранение от попадания влаги, которая приводит к коррозии проводника.
4. Профилактика образования электрической дуги.

Мы сделали краткий обзор того, для чего служит трансформатор, как он работает и из чего состоит. При желании вы можете даже сделать его сами дома, если произведете правильный расчет.

Автор: Владимир Васильев · Опубликовано 20 января 2016 · Обновлено 29 августа 2018

Своим появлением трансформатор обязан английскому ученому Майклу Фарадею. В 1831 году физик описал явление, которое назвал «электромагнитная индукция». Оно заключается в том, что в близко расположенных катушках (обмотках) проявляется ярко выраженная

электромагнитная взаимосвязь. То есть, если в первой катушке (первичной обмотке) создать переменный ток, то во второй катушке (вторичной обмотке) возбуждается напряжение с аналогичной частотой и мощностью, зависящей от многих параметров, которые рассмотрим далее.

Трансформаторы напряжения назначение и принцип действия

Трансформаторы напряжения предназначены для преобразования энергии источника напряжения в напряжение с нужным нам значением (амплитудой). Нужно заметить, что такие трансформаторы работают только с переменным напряжением и его частота остается неизменной.

Для чего нужен трансформатор напряжения?

Трансформаторы напряжения, в силу своей универсальности, необходимы в блоках питания, устройствах обработки сигналов, передающих устройствах, аппаратах передачи электроэнергии и во многом другом оборудовании.

По коэффициенту трансформации эти устройства могут делиться на 3 типа:

1. трансформатор напряжения понижающий – на выходе устройства напряжение ниже входного (n>1), например, применяется в блоках питания;
2. повышающий трансформатор – на выходе устройства напряжение выше, чем напряжение на входе (n Как работает трансформатор напряжения?

После того, как в первичной обмотке появится переменное напряжение U1, в магнитопроводе возникает переменный магнитный поток Ф, который возбуждает напряжение во вторичной обмотке U2. Это наиболее простое и краткое описание принципа работы трансформатора напряжения.

Самым главным параметром трансформаторов является «коэффициент трансформации» и обозначается латинской «n». Он вычисляется делением напряжение в первичной обмотке на напряжение во вторичной обмотке или количества витков в первой катушки на количество витков во второй катушке.

Этот коэффициент позволяет рассчитать необходимые параметры вашего трансформатора для выбранного устройства. Например, если первичная обмотка имеет 2000 витков, а вторичная -100 витков, то n=20. При напряжении сети 240 вольт, на выходе устройства должно быть 12 вольт. Так же, можно определить количество витков при заданных, входном и выходном, напряжениях.

Чем отличается трансформатор тока от трансформатора напряжения?

По определению эти устройства предназначены для работы с разными электрическими величинами, как основными и соответственно, схемы включения будут различными. Например, трансформатор тока питается от источника тока и не работает, даже может выйти из строя, если его обмотки не нагружены и через них не идет электрический ток. Трансформатор напряжения питаются от источников напряжения и, наоборот, не может долго работать в режиме с большими токовыми нагрузками.

Измерительные трансформаторы напряжения и тока

При эксплуатации оборудования с высокими рабочими напряжениями и большими токами потребления встает вопрос их измерения и контроля. Здесь на помощь приходят измерительные трансформаторы. Они обеспечивают гальваническую развязку измерительного оборудования от цепей с повышенной опасностью и снижение измеряемой величины до уровня, необходимого для замеров.

Дополнительная информация

Прежде чем покупать трансформатор напряжение, нужно проанализировать все требования, выдвигаемые к устройству. Необходимо учитывать не только рабочие напряжения, но и токи нагрузки при использовании трансформатора в различных приборах.

Трансформаторы напряжения можно изготовить самому, но если вам нужен простой бытовой трансформатор с напряжением на 220 вольт и понижением до 12 вольт, то лучше его приобрести. Сколько стоят трансформаторы напряжения можно узнать на любом интернет-сайте, как правило, на бытовые понижающие трансформаторы напряжения цены не очень высоки.