Устройство трансформатора

Содержание

Основные характеристики

Холостой режим применяется при разомкнутом вторичном контуре трансформатора, в нем отсутствует напряжение. Ток проходит по первичной обвивке, возникает реактивное намагничивание. При помощи холостой работы определяют КПД, показатель трансформации и потери в сердечнике.

Функционирование под нагрузкой подразумевает подключение источника питания к первичной цепи, где протекает суммарный ток функционирования и холостого хода. Нагрузка подсоединяется к вторичному контуру трансформатора. Этот режим является распространенным.

Фаза короткого замыкания возникает, если сопротивление вторичной спирали составляет единственную нагрузку. В этом режиме определяются потери на нагревание катушки в цепи. Параметры трансформаторов учитываются в системе замещения прибора с помощью установки сопротивления.

Отношением потребляемой и отдаваемой мощности определяется коэффициент полезного действия трансформатора.

Почему существует два типа схем подключения

Измерительная пара является самым уязвимым местом в конструкции электрического счетчика. В меньшей степени это утверждение касается индукционных приборов, где катушки созданы из витков медного провода. И в большей – так называемых цифровых моделей, в которых подсчет протекающей электрической энергии осуществляется полупроводниковой микросхемой.

Если сравнивать технические характеристики разных моделей – как в пределах одного бренда, так и между ними, то бросается в глаза характерная деталь: везде номинальным током является значение 5 ампер. Однако это условие невозможно соблюсти, если суммарная мощность потребителей превышает 50 кВт. Поэтому существует два типа схем подключения трехфазных электросчетчиков.

Прямая, использующаяся в сетях, токи нагрузки в которых не превышают 50 ампер.
Через понижающие трансформаторы, которые уменьшают токи до значений, безопасных для прибора учета.

Что такое трансформаторы тока

Номинал напряжения в трехфазных сетях переменного тока всегда 380 вольт. Он не зависит от суммарной мощности потребления. Поэтому для защиты приборов учета в высоконагруженных сетях применяются трансформаторы тока.

Это электромеханические устройства, конструкция которых состоит из металлического сердечника и двух обмоток – первичной, с меньшим количеством витков медного провода, и вторичной, в которой число витков больше на фиксированное число раз. Это соотношение и определяет так называемый коэффициент трансформации – величину уменьшения выходного тока относительно входного.

Несмотря на принципиальное сходство, трансформаторы тока имеют существенные конструктивные отличия от трансформаторов напряжения. Во-первых, это всегда понижающее устройство. Во-вторых, первичная обмотка выполнена в виде металлической пластины – обычно плоской, толщиной не менее 3 мм и шириной от 2 до 5 сантиметров, поэтому попытка подключить входные клеммы между фазой и нейтралью вызовет короткое замыкание.

Замкнутый стальной магнитопровод имеет форму тора или квадрата, из-за чего корпус трансформатора тока бывает в форме бочонка или параллелепипеда. Выходные клеммы располагаются на одной из его боковых граней и имеют сечение в два-три раза меньшее, чем входные, находящиеся на торце.

На корпусе трансформаторов тока указывается соотношение максимального входного тока и его величина на выходе. Например, 100/5 или 150/5. В первом случае коэффициент трансформации равен двадцати, а во втором – тридцати. На это значение надо умножать показания электросчетчика, чтобы получить истинное значение количества потребленной электрической энергии.

На электрических схемах трансформаторы тока изображаются в виде короткой жирной линии и расположенного на или под ней мнемосимвола катушки индуктивности. Возле них пишут буквы ТТ. В отличие от трансформаторов напряжения, символ которых состоит из двух катушек и линии между ними, а также букв ТН.

Виды и типы

С тех пор, когда Фарадей и Генри впервые изобразили на схеме рассматриваемое приспособление, прошло немало времени. И сейчас количество разнообразных преобразующих ток устройств пошло на десятки.

Бывают такие основные виды трансформаторов, которые активно используются практически во всех сферах деятельности человека:

Автотрансформатор устройство, в котором первичная и вторичная обмотки соединены не только магнитным, но и непосредственно электрическим контактами.
Силовой применяется в сетях с большими напряжениями электрического тока, измеряемыми киловольтами. Чаще всего работают при ЛЭП, небольших электростанциях, а также в домах конечных пользователей.
Трансформатор тока. Ток первичной обмотки, который поступает напрямую с его источника, здесь понижается до пределов, требуемых для бесперебойной работы определенных типов техники.
Трансформатор напряжения. В отличие от предыдущего случая, питается не источником тока, а источником напряжения. Чаще всего здесь высокое напряжение трансформируется в более низкое.
Импульсивный отличается тем, что обрабатывает электрические сигналы длительностью в миллисекунды.
Сварочный преобразует напряжение в более низкое, а ток – в значительно более высокий, требуемый для задач сварки.
Разделительный, в котором первичная обмотка электрически не привязана к вторичной. Необходим для обеспечения большего уровня безопасности при работе с электросетями.

Также есть еще согласующий, пик-трансформатор, сдвоенный дроссель, вращающий и другие типы рассматриваемого устройства, предназначенные для решения конкретных технических задач.

Основные схемы подключения трансформатора. Как подключить трансформатор тока?

Что такое трансформатор тока?

Трансформатор тока (ТТ) представляет собой индуктивное устройство, преобразующее напряжение в сети. Его первичная обмотка подключается к источнику электроэнергии, а вторичная замыкается на защитный прибор с малым внутренним сопротивлением.
Ток протекает через первичную обмотку, преодолевая ее сопротивление.

В процессе движения по виткам первичной обмотки возникает магнитный поток, который улавливается магнитопроводом. Витки вторичной обмотки расположены перпендикулярно виткам первичной обмотки.
Под воздействием электродвижущей силы ток во вторичной обмотке преодолевает сопротивление в катушке, в результате чего падает напряжение на зажимах вторичной цепи.

Коэффициент трансформации определяется на стадии проектирования трансформатора, поэтому важно правильно выбрать модель устройства и заказать трансформатор в Бресте в зависимости от назначения и особенностей эксплуатации

Сфера применения трансформаторов

Трансформаторы тока устанавливаются во многих бытовых электроприборах и промышленном электрооборудовании, для работы которых требуется более высокое или низкое напряжение, чем 220 В или 380 В.
Для питания галогенных светильников необходимо напряжение 12 В, то есть почти в 20 раз ниже, чем в сети, и ТТ его понижает до требуемой величины.

Также трансформатор используются для учета электроэнергии. Широко распространены измерительные ТТ, которые подключаются к приборам измерения (вольтметрам, амперметрам и прочим) и осуществляют передачу токов на них.
Выпускаются как компактные модели, которые помещаются в корпус бытовых приборов, так и модели для установки под открытым небом на линиях электросетей.

Основные преимущества изделий

Использование трансформаторов тока дает следующие преимущества:

Унификация измерительных приборов, градуировка их шкал в соответствии с измеряемым первичным током;
Повышается уровень безопасности при работе с различными реле и измерительными приборами за счет разделения цепей высшего и низшего напряжения;
Увеличивается максимальный диапазон напряжений и пределов измерения для различных измерительных приборов;
Обеспечивается питание токовых обмоток реле защиты и измерительных приборов;
Надежная изоляция от высокого первичного напряжения.

Параметры для выбора схемы подключения

Подключить самостоятельно трансформатор, предназначенный для бытового использования несложно – достаточно строго следовать схеме подключения. Но для эффективной и безопасной работы электроприборов необходимо правильно подобрать саму схему. При выборе необходимо учитывать:

Количество фаз в сети – трехфазные модели имеют 4 выхода, а однофазные только 2, поэтому схема подключения трехфазного трансформатора имеет ряд отличий;
Тип трансформатора тока – повышающий или понижающий;
Какой параметр тока необходим потребителю – для работы бытовой техники нужен постоянный ток, а в сети – переменный, и для его преобразования требуется подключение вторичной обмотки трансформатора тока через выпрямитель.

Обозначение на схеме

Условное обозначение трансформаторов на схеме и в специализированной литературе зависит от конструктивных особенностей изображаемой модели устройства. Но в общем случае на его рисунке указывается сердечник — толстая вертикальная линия, первичная обмотка (слева) и вторичная (справа). Сами катушки изображаются параллельно сердечнику в виде полуокружностей. Их количество нигде не регламентируется. Жирная точка, стоящая у полуокружностей, обозначает начало обмотки.

При указании особенности конструкции изображение сердечника может изменяться. Так, магнитопровод с магнитным зазором выполняется линией с разрывом посредине, если сердечник изготовлен из магнитодиэлектрика, используется тонкая пунктирная линия. Если есть необходимость указать материал, из которого сделан сердечник, то сверху линии ставится символ, соответствующий таблице Менделеева, например, Cu.

Таким образом, под словом трансформатор понимается электронный аппарат, предназначенный для повышения или понижения напряжения электрического тока. Эти его свойства нашли широкое применение как в аналоговой, так и цифровой технике. При этом ключевым элементом, обеспечивающим передачу энергии от электростанций к потребителям, также является трансформатор.

Общее устройство

Конструкция изделия в общем виде выглядит достаточно просто.

Основу устройства составляют такие важнейшие его элементы:

Первичная обмотка катушка, на которую намотано N количество витков проводника. Два электрических контакта позволяют подключать к ней источники постоянного тока или напряжения.
Вторичная обмотка по типу конструкции полностью повторяет первичную, но имеет отличное от нее количество витков проводника M. Также здесь расположены контакты для вывода электрического сигнала на следующего или конечного потребителя тока или напряжения.
Магнитный стержень, обычно прямоугольной формы, на который по его сторонам надеты в плотном контакте к основе упомянутые выше катушки. Предназначен для того, чтобы передавать возникшее в результате действия электромагнитной индукции магнитное поле с первой на вторую катушку и возбуждать в нем пропорциональный электрический сигнал.

Все указанные элементы могут находиться в корпусе, который иногда бывает заполнен специальным трансформаторным маслом. Устроен прибор просто, и даже самая примитивная схема замещения легко объясняет его принципы работы.

Зачем это нужно?

Трансформатор служит для повышения или понижения подаваемой электроэнергии. Зачем нужно преобразовывать ток? Смысл в том, что согласно закону Джоуля-Ленца тепло, которое выделяет проводник при прохождении по нему электрического тока выделяется в зависимости от силы тока. Причем зависимость эта квадратичная, так как сила тока в формуле имеет вторую степень.

На практике это означает, что увеличение силы тока в 2 раза приведет к увеличению тепловыделений в 4 раза. Все бы ничего, но закон сохранения энергии пока никто не отменял. На нагрев проводника расходуется электроэнергия, которую с таким трудом добывает человечество. Единственный выход: повысить напряжение до максимум.

Согласно закону Ома всегда сохраняется некое равенство: произведение силы тока на сопротивление равняется напряжению в сети. Предположим, что сопротивление не изменяется, так как оно зависит от свойств проводящего материала. Тогда единственным выходом будет максимально задрать напряжение, чтобы уменьшить силу тока в сети.

Высоковольтные линии придумали не ради развлечения. Единственная цель столь сложной системы с трансформаторами: максимальное сокращение потерь.

Популярные статьи Выпрямительный диод

Что такое трансформатор тока?

К трансформаторам тока относятся устройства, в которых вторичный ток, применяемый для измерений, находится в пропорциональном соотношении с первичным током, поступающим из электрической сети.

Включение в цепь первичной обмотки осуществляется последовательно с токопроводом. Подключение вторичной обмотки выполняется на какую-либо нагрузку в виде измерительных приборов и различных реле.Между токами обеих обмоток возникает пропорциональная зависимость, соответствующая количеству витков. В трансформаторных устройствах высокого напряжения выполняется изоляция между обмотками из расчета на полное рабочее напряжение.

Как правило производится заземление одного из концов вторичной обмотки, поэтому потенциалы обмотки и земли будут примерно одинаковыми.Все трансформаторы тока предназначены для выполнения двух основных функций: измерения и защиты. В некоторых устройствах обе функции могут совмещаться.Измерительные трансформаторы передают полученную информацию к подключенным измерительным приборам.Они устанавливаются в цепях с высоким напряжением, в которые невозможно включить напрямую приборы для измерений. Поэтому только во вторичную обмотку трансформатора выполняется подключение амперметров, счетчиков, токовых обмоток ваттметров и прочих приборов учета.

В результате, трансформатор преобразует переменный ток даже очень высокого значения, в переменный ток с показателями, наиболее приемлемыми для использования обычных измерительных приборов.Одновременно обеспечивается изоляция измерительных приборов от цепей с высоким напряжением, повышается электробезопасность обслуживающего персонала.Защитные трансформаторные устройства в первую очередь передают полученную измерительную информацию на устройства управления и защиты. С помощью защитных трансформаторов, переменный ток любого значения преобразуется в переменный ток с наиболее подходящим значением, обеспечивающим питание устройств релейной защиты. Одновременно выполняется изоляция реле, к которых имеется доступ персонала, от цепей высокого напряжения.

В чем его достоинства и недостатки

Любое электрическое устройство имеет ряд достоинств и недостатков. Однофазные электрические трансформаторы – не исключение. У них больше преимуществ, чем недостатков. Основные из них:

имеют один из самых высоких коэффициентов полезного действия (КПД), который составляет 98 %;
отлично охлаждаются и обладают большей устойчивостью к перегрузкам и кратковременным скачкам напряжения;
экологическая безопасность сухого вида. Они не содержат масла, а значит, ничто не может нанести вред окружающей среде даже после утилизации;
нет необходимости соблюдать особые противопожарные меры в местах установки трансформаторов;
относительно небольшой размер, позволяющий устанавливать устройства в небольших помещениях.

Эти устройства не лишены ряда недостатков, которые зависят от типа и места применения:

сложное обслуживание, если прибор в масле. Его необходимо регулярно проверять на предмет отказов и протечек резиновых уплотнителей, замена которых достаточно сложна;
сухие однофазные приборы плохо переносят повышенную влажность, ветер, химические и физические воздействия, а также загрязнения;
высокая стоимость сухих трансформаторов по сравнению с масляными.

Обычное устройство для однофазных сетей

Методика расчета мощностей трансформатора

При расчете силового трансформатора питающей подстанции учитывается среднесуточная нагрузка и длительность периода максимальной потребления. При этом должно учитываться соотношение:

Sном≥∑Pмакс

Режим пикового потребления также должен учитывать время воздействия, поскольку при кратковременных всплесках (до 1 часа), устройство будет работать в недогруженном режиме, что экономически не выгодно.

В таких случаях нужно брать в расчет перегрузочную способность конструкции, которая зависит от конструктивных особенностей, температуры окружающего воздуха и условий охлаждения. Это диктуется условиями допустимого нагрева составляющих элементов (обмоток, коммутирующих цепей).

Понятие коэффициента загрузки определяет отношение среднесуточного и максимального потребления электрической энергии. Коэффициент загрузки всегда меньше единицы. Его величина связана с требованиями к надежности электроснабжения. Чем меньше требуемая надежность, тем больше коэффициент может приближаться к единице.

По сечению сердечника

Электромагнитный аппарат имеет сердечник с парой проводов или несколькими обмотками. Такая составляющая часть прибора, отвечает за активное индукционное повышение уровня магнитного поля. Кроме всего прочего, устройство способствует эффективной передаче энергии с первичной обмотки на вторичную, посредством магнитного поля, которое концентрируется во внутренней части сердечника.

Параметрами сердечника определяются показатели габаритной трансформаторной мощности, которая превышает электрическую.

Расчетная формула такой взаимосвязи:

Sо х Sс = 100 х Рг / (2,22 х Вс х А х F х Ко х Кc), где

Sо — показатели площади окна сердечника;
Sс — площадь поперечного сечения сердечника;
Рг — габаритная мощность;
Bс — магнитная индукция внутри сердечника;
А — токовая плотность в проводниках на обмотках;
F — показатели частоты переменного тока;
Ко — коэффициент наполненности окна;
Кс — коэффициент наполненности сердечника.

Показатели трансформаторной мощности равны уровню нагрузки на вторичной обмотке и потребляемой мощности из сети на первичной обмотке.

Самые распространенные разновидности трансформаторов производятся с применением Ш —образного и П — образного сердечников.

По нагрузке

При выборе трансформатора учитывается несколько основных параметров, представленных:

категорией электрического снабжения;
перегрузочной способностью;
шкалой стандартных мощностей приборов;
графиком нагрузочного распределения.

В настоящее время типовая мощность трансформатора стандартизирована.

Варианты трансформаторов

Чтобы выполнить расчет присоединенной к трансформаторному прибору мощности, необходимо собрать и проанализировать данные обо всех подключаемых потребителях. Например, при наличии чисто активной нагрузки, представленной лампами накаливания или ТЭНами, достаточно применять трансформаторы с показателями мощности на уровне 250 кВА.

В системах электрического снабжения показатели трансформаторной мощности приборов должны позволить обеспечивать стабильное питание всех потребителей электроэнергии.

Зачем это нужно?

Основные составляющие

В их качестве вступают:

магнитная система (сердечник, магнитопровод);
обмотки;
охладительная система.

Магнитная система

Состоит из элементов в комплекте, чаще всего применяются пластины из ферромагнитного материала или электротехнических сталей, которые компонуются в определенной геометрической форме. Ее выбор определяется локализацией в ней основного трансформаторного магнитного поля. Система магнитного воздействия одновременно со всеми узлами, элементами и деталями для соединения частей в общую конструкцию, носит название остова трансформатора.

Часть магнитной системы, включающая основные обмотки, называется стержнем. Другая часть магнитного комплекта, на которой нет рабочих обмоток, и она служит для соединения магнитной цепи, имеет наименование ярмо. В зависимости от того, как расположены стержни, подразделяют:

плоская система, где продольные стержни и ярма расположены в одной плоскости;
пространственная система включает разно плоскостное расположение сердечников и ярм;
симметричная система отличается одинаковой формой и длиной стержней, а их расположение по отношению к ярмам является стандартным для всех элементов;
несимметричная система, в ней все стержни различаются по форме и размеру, а их расположение не отличается симметрией и отлично от других элементов.

Обмотки

Основным конструктивным элементом обмотки служит виток, являющийся рядом параллельных соединенных проводников (в многопроволочном варианте жилы), один раз охватывающий часть магнитного сердечника. Ток витка совместно с током других витков, проводников и частей трансформатора продуцирует магнитное трансформаторно поле, в котором наводится под действием магнитного поля сила, движущая ток.

Обмоткой называется общее число витков, образующих электрический контур для суммирования ЭДС в витках. Трехфазный трансформатор имеет в конструкции комплект обмоток из трех рабочих фаз. Проводник обычно квадратного сечения, чтобы увеличить площадь его делят на два или несколько проводящих стержня. Этот прием помогает снизить вихревые токи и облегчить работу обмотки. Квадратный проводник называется жилой. В качестве обмотки используется транспонированный кабель.

Изоляцию делают бумажной обмоткой или лаком на эмалевой основе. Две параллельные жилы могут выполняться в единой изоляции, такой комплект называется кабелем. Чтобы понять, как работает трансформатор, нужно знать разделение обмоток по типам. В зависимости от назначения обмотки бывают:

основные, те, что принимают преобразованную энергию или отводят переменный ток;
регулирующие предусмотрены для нормализации коэффициента напряжения при небольших показаниях тока в обмотках;
вспомогательные предназначены для электрического снабжения собственных нужд меньшей мощности, чем номинальная трансформаторная мощность, подмагничивания магнитной системы током постоянного значения.

В зависимости от варианта исполнения обмотки делят:

рядовые — витки делаются по всей длине в направлении оси, последующие витки наматывают плотно, без пробелов;
винтовые — имеют многослойное наложение, предусмотрены расстояния между витками или заходами обмотки;
дисковые обмотки содержат последовательно соединенные диски, при этом в центр каждого наматывается обмотка в форме спирали;
фольговый вид обмотки выполнен из листа алюминия или меди, разной толщины.

Бак для охлаждения

Представляет собой масляный резервуар, обеспечивает защиту активного ингредиента, служит опорой для приборов управления и вспомогательных приборов. Перед добавлением масла в баке выкачивают воздух для безопасной диэлектрической прочности изоляции. При изготовлении звуковые частоты от сердечника трансформатора и от элементов бака должны совпадать.

Конструкция предусматривает дополнительные параметры для расширения масла в условиях нагревания, иногда это дополнительный расширительный бак. Если увеличивается номинальная мощность трансформатора, то токи внутри и снаружи ведут к перегреву конструкции. Аналогично действует магнитный рассеянный поток внутри бака. Чтобы снизить отрицательное воздействие делают вставки из немагнитных материалов, окружая ими проходные сильноточные изоляторы.

Назначение однофазного трансформатора

Трансформаторные установки нашли широкое применение в различных электросетях. Они являются незаменимыми частями всей электрической системы. Все дело в том, что передача электроэнергии по сетям осуществляется при высоком напряжении (от 500 до 1000 кВ), а для перемещения той же мощности потребуется куда менее сильный ток, что ведет к снижению потерь. На станции с помощью трансформаторов повышают напряжение со стороны отправителя и уменьшают его со стороны получателя.

К сведению! Выше описаны силовые приборы, но есть и измерительные, сварочные трансформаторы. В некоторых приборах они используются для разделения цепи гальваническим методом. Электротрансформаторы относят к машинам, хотя они не имеют движущихся частей.

Коробка для подключения

Однофазный трансформатор имеет широкое распространение в электротехнике и электрических сетях. Благодаря своему простому строению и высокому КПД его зона применения расширилась от силовых установок до бытовых приборов.

Что такое трансформатор?

Если коротко, то это стационарное устройство, используемое для преобразования переменного напряжения с сохранением частоты тока. Действие трансформатора основано на свойствах электромагнитной индукции.

Немного исторических фактов

В основу действия трансформатора легло явление магнитной индукции, открытое М. Фарадеем в 1831 г. Физик, работая с постоянным электрическим током, заметил отклонение стрелки гальванометра, подключенного к одной из двух катушек, намотанных на сердечник. Причем гальванометр реагировал только в моменты коммутации первой катушки.

Поскольку опыты проводились от источника постоянного тока, Фарадей не смог объяснить открытое явление.

Прообраз трансформатора появился лишь в 1848 году. Его изобрел немецкий механик Г. Румкорф, называя устройство индукционной катушкой особой конструкции. Однако Румкорф не заметил трансформации выходных напряжений.Датой рождения первого трансформатора считается день выдачи патента П. Н. Яблочкову на изобретение устройства с разомкнутым сердечником. Это случилось 30.11.1876 года.

Типы аппаратов с замкнутыми сердечниками появились в 1884 году. Их создали англичане Джон и Эдуард Гопкнинсоны.

По большому счету, технический интерес у электромехаников к переменному току возник только благодаря изобретению трансформатора. Идеи российского электротехника М. О. Доливо-Добровольского и всемирно известного Николы Тесла победили в спорах о преимуществах переменных напряжений именно благодаря возможности трансформации тока.

С победой идей этих великих электротехников потребности в трансформаторах резко выросла, что привело к их усовершенствованию и созданию новых типов приборов.