Трансформатор сетевой: назначение, устройство и принцип действия трансформатора

назначение, устройство и принцип действия трансформатора

Трансформатор  –  это статическое электромагнитное устройство предназначенное для преобразование переменного тока одного напряжения той же частоты подающегося на его входную обмотку,  в другое переменное напряжение поступающиеся с его выходной обмотки.

Если на вход трансформатора поступает напряжение ниже, чем образующиеся на его выходе то такой трансформатор называют повышающим. Если на вход поступает напряжение выше чем образующие на его выходе, то это понижающий трансформатор.

Есть некая аналогия с передаточным числом шестереночной передачей.

Назначение и принцип действия трансформатора

Назначение и принцип действия трансформатора — это  передача электрической энергии на значительные расстояния от электростанций к различным потребителям: промышленным предприятиям, населению и т.п, с помощью электродвижущей силы и магнитной индукции.

Трансформаторы позволяют значительно экономить на стоимости проводов, а также снижают потери электроэнергии в линиях электропередач. Так как от силы тока зависит сечение проводов то, увеличивая напряжение и снижая силу тока (не снижая при этом передаваемую мощность) можно эффективно предавать напряжение на значительные расстояния.

Повышая напряжение (U), и снижая силу тока (I), передаваемая мощность (Р) остается неизменна.

Формула мощности  P = U * I или P = U2 / I

Это позволяет экономить  на линиях электропередач:

1. Используя провода с меньшим поперечным сечение, снижается расход  цветных металлов;
2. Уменьшаются потери мощности при передаче электроэнергии на большие расстояния.

На электростанциях вырабатывается электрическая энергия посредством синхронных генераторов и составляет от 11 кВ до 20кВ, в некоторых случаях может применяться напряжение 30-35 кВ.  Эти величины не подходят как в быту, так и на промышленном производстве из-за слишком высокого напряжения. Но эти напряжения также недостаточны для экономичной передачи электроэнергии на расстояния. Поэтому на выходе из электростанций ставятся повышающие трансформаторы, которые повышают напряжение до 750 кВ, U=750kV напряжение которое непосредственно передается по линиям электропередач.

Приемники электрической энергии: различные бытовые приборы, электродвигатели, станки на производстве из-за соображения безопасности и конструктивными сложностями изготовления (требования к усиленной изоляции), также не могут работать с такими высокими напряжениями.  Они рассчитываются на более низкое напряжения, как правило, это 220V в быту и 380V на производстве.

Для понижения напряжения  используются различные понижающие трансформаторы. Любой трансформатор можно использовать как для повышения, так и для понижения напряжения.

Повышающие трансформаторы используют для передачи электроэнергии на большие расстояния, понижающие для распределения электроэнергии в точке разветвления потребителей.

Электрическая энергия по пути движения от электростанции до потребителя может трансформироваться 3 или 4 раза. Преобразование электроэнергии происходит с помощью магнитопровода трансформатора и переменного магнитного поля.

Трансформатор работает только с переменным напряжением, на постоянном токе не работает, так как не будет создаваться переменного магнитного поля, которое и составляет принцип работы любого трансформатора.

Изобретение трансформатора

Трансформатор изобрел выдающийся русский ученый П.И. Яблочковым в 1876г. Он использовал индукционную катушку с двумя обмотками для питания своей знаменитой лампы, «свечи Яблочкова». Это был первый генератор переменного тока. Этот трансформатор имел незамкнутый сердечник. Замкнутые сердечники, которые используются сейчас, появились только в 1884 г.

В 1889 году русский ученый М. О. Доливо-Добровольским изобрел трехфазную систему переменного тока и построил первый трехфазный асинхронный двигатель и первый трехфазный трансформатор.

С 1891г, он демонстрирует на электротехнической выставке в Франкфурте-на-Майне передачу высоковольтного трехфазного тока на расстояние более 100 км. Его трехфазный генератор имел мощность 230 кВА и напряжение U =95V. С помощью трехфазного трансформатора напряжение повышалось до 15 кВ и понижалось в точке приема до 65V (фазное напряжение), питая трехфазный асинхронный двигатель мощностью 75 кВт насосной установки. С помощью последовательного включения двух обмоток высокого напряжения удалось повысить 28 кВ и увеличить КПД электропередачи до 77%, что в то время было достаточно высоким.

Как устроен трансформатор

Простейший трансформатор – это две обмотки катушек, намотанные на магнитопроводе (замкнутом сердечнике трансформатора) с изоляцией по которым пропускают переменный ток.
Для наглядности обмотки расположены на разных стержнях стального сердечника. На самом деле часть обмоток может находится на одном стержне, а часть на другом. Такое расположение обмоток улучшает магнитную связь и снижает потери на магнитный поток рассеяния. Обмотка, на которую подают напряжение, называют первичной обмоткой, а обмотка трансформатора, с которой снимают напряжение, называют вторичной.

Видео: Трансформатор. Принцип работы и советы конструкторам

Видео доступным языком объясняет работу трансформатора и даёт некоторые конструктивные советы

Простое объяснение принципа работы трансформатора

Чтобы понять, что такое трансформатор, попробуем собрать его, попутно разбираясь в каждом шаге.

Для начала соберем электромагнит. Самый простейший электромагнит это кусок ферромагнетика, например гвоздь (сотка), вокруг которого намотана проволока. (катушка).

Намотайте катушку, скажем витков 20-30 на гвоздь, подключите к батарейке или любому блоку питания постоянного напряжения (например 9 вольт).

При подаче тока на катушку, гвоздь усиливает свое магнитное свойство и становится постоянным электромагнитом — полной копией простого магнита.

Количеством витков, их толщиной (сечением провода), напряжением и током, материалом сердечника, способом намотки (например в два провода) Вашей катушки — Вы можете регулировать степень магнитной силы Вашего электромагнита.

А подключением намотки Вы можете регулировать положение полюсов Вашего электромагнита. (это важно)

Поднесите к Вашему электромагниту простой магнит любым из полюсов. Вы увидите электромагнитное взаимодействие. Магнит будет отталкиваться Вашим электромагнитом.

Теперь поменяйте провода от Вашей батарейки местами, т. е. плюс на минус. При этом Вы заметите, что электромагнит поменял направление силы — теперь он наоборот притягивает.

Чем чаще Вы переключаете плюс на минус, тем чаще Ваш магнит будет менять направление силы. Иными словами электромагнит будет притягивать отталкивать с частотой питающей его сети.

Северный и южный полюса магнита будут меняться между собой, потому что ВЫ создали переменное напряжение с частотой Вашего переключения плюс на минус.

Теперь на гвозде намотайте вторую точно такую же катушку и Вы получите простейший трансформатор.

Первая катушка называется первичной обмоткой, а вторая катушка вторичной обмоткой.

Итак соберите такую конструкцию.

• Гвоздь, на нем две одинаковые катушки.
• Подключите первичную обмотку к блоку питания с возможностью менять направление тока.
• Ко второй катушке подключите мультиметр.

Теперь включите блок питания и начинайте переключать полярность с некоторой частотой. На второй катушке у Вас начнет появляться напряжение, которое передается посредством того, что называют электромагнитной индукции. В итоге на Вашем гвозде у Вас работают два электромагнита, на первый вы подаете ток и напряжение, а на втором электромагните этот ток и напряжение индуктируются.

Виды трансформаторов

Силовой трансформатор

Этот виды трансформаторов относится к трансформаторам работающих в сетях промышленных и бытовых установках частотой питающей сети 50-60 Гц. Силовые трансформаторы предназначены для преобразование электрической энергии для передачи ее по ЛЭП например, с 38 кВ до 6кВ, 380V на 220V (380/220В). Электро цепи где используется высокое напряжение принято называть в электротехнике силовыми цепями, а трансформаторы соответственно силовые трансформаторы.

Конструкция силового трансформатора состоит из двух или трёх обмоток, возможно больше. Располагаются обмотки на броневом сердечнике, изготавливаемом из листов электротехнической стали. Некоторые силовые трансформаторы (с расщепленными обмотками) могут иметь несколько обмоток с низшего напряжения (НН) которые запитаны параллельно. Это позволяет получать напряжение больше чем от одного генератора и передавать больше электроэнергии, тем самым повышая КПД электроустановки.

Мощные силовые трансформаторы очень часто делают масляными, то есть его обмотки помещают в бак со специальным трансформаторным маслом. Трансформаторное масло служит для активного охлаждения и одновременной изоляции его обмоток.
Трансформаторы мощностью 400 кВА обладают большим весом и монтируются на специальных платформах или помещениях. Они поступают с завода в собранном состоянии, готовыми к подключению нагрузки на подстанциях или электростанциях. Основное исполнение силовых трансформаторов – это трехфазные трансформаторы. это связно с тем, что потери КПД однофазных трансформаторов на 15% больше.

Сетевые трансформаторы

Сетевые трансформаторы это самый распространенный вид трансформаторов, который можно встретить практически в любом бытовом электроприборе. Все сетевые трансформаторы, как правило, делают однофазными. Эти трансформаторы служат для преобразования высокого напряжение сети 220V до приемлемого напряжения, используемого в том или ином электроприборе. Понижающее напряжение может быть: 220/12V или 220/9V, 220/36V и т.д.

Многие изготавливают сетевые трансформатор не с одной, а с несколькими вторичными обмотками, что делает трансформатор более универсальным, часто используемый на разное напряжение одновременно.

Например, часть схемы запитана напряжение 12 Вольт, а другая 3 Вольта от одного трансформатора с несколькими обмотками.

Изготавливают сетевые трансформаторы чаще всего из электротехнической стали на Ш – образных или стержневых сердечниках. Встречаются тороидальные сердечники. Ш-образный сердечник набирается из пластин, на которые надевают каркас на который наматываются обмотки трансформатора.

Тороидальный трансформатор имеет преимущества из-за своего более компактного вида и обладают более лучшими характеристиками. Обмотки тороидального трансформатора полностью охватывают магнитопровод, нет пустого пространства незанятого обмоткой в отличие от стержневых или броневых трансформаторов.

Сварочные трансформаторы также можно отнести к сетевым, мощность которых не превышает 6 кВт. Все сетевые трансформаторы работают на низкой частоте равной 50-60 Гц.

Автотрансформатор

Автотрансформатор – это трансформатор где обмотки низшего напряжения являются частью обмотки высшего. Обмотки автотрансформатора имеют прямую электрическую связь, а не только посредством магнитопровода. Делая отводы от одной обмотки можно получить различное напряжение. Отличить обмотки низшего и высшего напряжение можно по различному сечению использованного для намотки провода.

Преимущество автотрансформатора – это меньшие размеры, меньше использованного провода, меньше сердечник, меньше затрачено стали на его изготовление в итоге меньшая цена автотрансформатора.

Главный недостаток трансформатора — это гальваническая связь обмоток низшего и высокого напряжения. Возможность попадания сети высшего напряжения в сеть низшего. Невозможность применение автотрансформаторов в сетях с заземлением.
Автотрансформаторы применяют в сетях трехфазного тока с соединением обмоток в чаще всего в звезду, реже в треугольник.

Автотрансформаторы часто применяют в устройствах управления напряжением, в высоковольтных установках, в промышленности для пуска мощных асинхронных электродвигателей переменного тока. Мощность автотрансформаторов может быть до 100 МВт.

Преимущество автотрансформаторов увеличивается с увеличением коэффициента трансформации близкими (К=1-2).

Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР)

Разновидностью автотрансформатора можно назвать лабораторный трансформатор (ЛАТР). Его основное назначение — это плавная регулировка напряжения, подающаяся к нагрузке, к любому потребителю электроэнергии. Конструкция автотрансформатора представляет собой тороидальный трансформатор у которого есть только одна обмотка, по которой бежит ползунок (угольный роликовый контакт) подключающий каждый виток не изолируемой обмотки (дорожки) автотрансформатора к схеме. Таким образом, создается регулирующий эффект.

При замыкании соседних витков роликовым ползунком в ЛАТР, не происходит межвитковых замыканий, так как токи питающей сети и нагрузки автотрансформатора в общей обмотке близки друг к другу и направлены встречно. Самые распространенные ЛАТРы регулируют напряжение от 0 до 250V. Трехфазные регулируют от 0/450 вольт. Автотрансформаторы ЛАТРы часто используют в научно исследовательских лабораториях для пусконаладочных работ различного назначения.

Трансформаторы тока

Трансформатор тока служит в основном в измерительной технике. Первичную обмотку такого трансформатора подключают к источнику тока, вторичная обмотка используется для различных измерительных приборов при небольшом внутреннем сопротивлении (R вн).
Первичная обмотка – это, как правило, всего виток провода включенного последовательно с измеряемой цепью переменного тока. Ток первичной обмотки прямо пропорционален току вторичной, в чем и достигается измерение величины силы тока (А).

Главная особенность трансформаторов тока состоит в том, что вторичная обмотка должна быть всегда нагружена, иначе происходит пробой изоляции высоким напряжением, также при отключенной нагрузке магнитопровод трансформатора тока просто сгорает от некомпенсированных наведенных токов.

Конструктивно трансформатор тока это одна или несколько изолированных обмоток намотанных на шихтованную холоднокатаную электротехническую сталь называемую сердечником. Первичная обмотка может быть просто провод, который пропущенный через окно магнитопровода трансформатора тока который измеряет силу тока проходящий через этот провод или шину. Коэффициент трансформации здесь 100/5, безопасны, так как отсутствует гальваническая связь между обмотками.

Применение трансформаторов тока: измерения силы тока в схемах релейной защиты, в измерительной аппаратуре. Выпускают с 1-2 группами вторичных обмоток. Одна группа может, подсоединяется к защитным устройствам, другая к измерительным приборам и счетчикам.

Трансформаторы напряжения

Трансформаторы напряжения – это трансформаторы, преобразующие высокие напряжения пропорционально и точно в соответствии с фазами в величины, пригодные для измерения. Трансформаторы среднего напряжения имеют единственный магнитопровод и могут быть выполнены с одной или несколькими вторичными обмотками. Заземляемые трансформаторы напряжения по желанию помимо измерительной или защитной обмотки могут быть выполнены с дополнительной обмоткой для регистрации замыкания на землю.

Импульсный трансформатор тока

Применяются для измерения направления или силы тока в импульсных схемах. Импульсный трансформатор состоит из кольцевого ферритового сердечника с одной обмоткой. Измеряемый провод проходит сквозь кольцо, обмотку подключают к сопротивлению нагрузки (Rн).
Если обмотка содержит 1000 витков провода, то ток, проходящий через измеряемый провод будет равен 1000\1, то есть на сопротивлении нагрузки будет ток, который в 1000 раз меньше тока проходящего через измеряемый провод.

Производители трансформаторов тока изготовляют импульсные трансформаторы тока с различным коэффициентом трансформации. Инженеру проектировщику нужно лишь рассчитать сопротивление нагрузки и соответствующую схему измерения.
Если нужно измерить направление тока, то вместо сопротивления нагрузки подключают два стабилитрона с встречным включением.

Импульсный трансформатор

Распространен во всех современных электронных схемах. Импульсный трансформатор предназначен для сварочных устройств, блоков питания, импульсных преобразователей. Заменили в настоящее время низкочастотные трансформаторы с сердечниками из шихтованной стали, которые имели больше габариты и вес.
Состоит из ферритового магнитопровода различной формы: кольцо, чашечка, стержень, Ш — образный, П – образный. Ферритовый сердечник импульсных трансформаторов дает им несравненное преимущество перед старыми трансформаторами из стали в том, что они могут работать на частотах до и свыше 500 000 гц.

Импульсный трансформатор – это ВЧ (высокочастотный) трансформатор габариты и вес, которого с ростом частоты становиться только меньше!
Обмотка требует меньшего количества витков, а для регистрации высокочастотного тока достаточно полевого или биполярных транзисторов включенных по специальной схеме:

• Прямоходовая;
• Двухтактная;
• Полумостовая;
• Мостовая схема

Применяют импульсные трансформаторы и дроссели на феррите в энергосберегающих лампах, зарядных для мобильных устройств, в мощных инверторах тока, сварочных аппаратах.

Трансформатор Тесла

Трансформатор Николы Теслы — это аппарат, с помощью которого получают токи высокой частоты. Реализовывается при помощи первичной и вторичной обмотки, но первичная обмотка получает питание на частоте резонанса вторичной обмотки, при этом напряжение на выходе возрастает в десятки раз.

По мнению специалистов, Тесла изобретал трансформатор для решения глобального вопроса передачи электрической энергии из одного пункта в другой без применения проводов. Для того чтобы получилась задуманная изобретателем передача энергии при помощи эфира, необходимо на двух удаленных точках иметь по одному мощному трансформатору, которые работали бы на одной частоте в резонансе. сли проект реализовать, тогда не понадобятся гидроэлектростанции, мощные ЛЭП, наличие кабельных линий, что, конечно, противоречит монопольному владению электрической энергией разными компаниями.

С проектом Николы Теслы каждый гражданин общества мог бесплатно воспользоваться электричеством в нужный момент в любом месте, где бы он ни находился.

С точки зрения бизнеса эта система нерентабельна, так как она не окупится, ведь электричество становится бесплатным, именно по этой причине патент №645576 до сих пор ожидает своих инвесторов.

Видео: Принцип работы трансформатора

Основы — как работает трансформатор, первичная и вторичная обмотка, каким образом понижается или повышается напряжение у трансформатора за счет магнитного поля, для чего нужен магнитопровод и что такое взаимоиндуктивность — обо всем этом смотрите в видео!

Сетевые трансформаторы

Справочные данные по сетевым трансформаторам для бытовой и промышленной аппаратуры.  Характеристика, размеры, применение.

Сетевые трансформаторы, характеристики, схемы, таблицы

Назначение сетевых трансформаторов, характеристики, схемы, габаритные размеры сетевых трансформаторов, справочные данные. ТС-180, ТС-200, ТС-250 и другие.

конструкция, принцип действия, технические характеристики

Напряжение 220 В небезопасно для человека. Случайное прикосновение к фазному проводу или к корпусу прибора, оказавшемуся под напряжением, может привести к летальному исходу, если человек стоит на земле или заземленной поверхности. Особую опасность представляют сетевой ток во влажных помещениях. Безопасную эксплуатацию оборудования обеспечивает разделительный трансформатор. Он применяется для развязки гальванической связи блока питания с сетевым напряжением, что сводит к нулю вероятность поражения током.

Конструкция и принцип действия

Главное отличие разделительного трансформатора – отсутствие гальванической связи между катушками, которые надежно отделены гальванической изоляцией. Обычно обмотки образующие первичную цепь трансформатора по параметрам идентичны обмоткам во вторичных цепях. В таком случае коэффициент трансформации для данного разделительного трансформатора равен 1. То есть, устройство используется исключительно для гальванической развязки. Пример разделительного аппарата смотрите на рис. 1.

Характерной особенностью трансформаторов этого типа является то, что цепи вторичных обмоток в разделительной трансформации не оборудуются защитным заземлением. С целью обеспечения надежности гальванической развязки применяют дополнительную изоляцию между катушками. В отдельных случаях витки первичных обмоток отделяют защитным экраном от вторичных обмоток или разносят их физически на разные части магнитопровода.

В остальном конструкция и принцип работы не отличается от трансформаторов других типов:

• на первичную обмотку поступает напряжение от сети;
• возникающая при этом магнитная индукция распространяется по всему магнитопроводу.
• ЭДС индукции возбуждает электрический ток в витках вторичной катушки.

Между напряжениями в катушках и токами существует зависимость: величины вторичных напряжений прямо пропорциональны первичным напряжениям, с коэффициентом пропорциональности k=W₂/W₁, а выходной ток обратно пропорционален току в первичной обмотке.

Благодаря отсутствию гальванической связи между катушками и отделению от цепи заземления первичной обмотки случайное прикасание к любому выводу вторичной катушки не приводит к поражению током. Остерегаться необходимо только одновременного касания разных выводов трансформатора.

Таким образом, при электрическом контакте с токоведущими частями оборудования запитанного от разделительного трансформатора электрическая цепь с землей не образуется, что исключает возможность поражения электротоком. Разделительные трансформаторы обеспечивают также защиту подключенных электроприборов при однофазных замыканиях. Если КЗ произойдет в первичной цепи, то вторичная цепь просто обесточивается. Однако для полной защиты в первичную цепь подключайте УЗО.

Назначение

Автономные силовые обмотки в основном применяются для отделения цепей электротехнических устройств от напряжений, поставляемых электрической сетью. При этом мощность нагрузки составляет от 100 Вт до 60 кВт. Электрические приборы, отделенные от питающей сети, получают дополнительную защиту, они безопаснее в обслуживании.

Разделительные трансформаторы применяются для подключения нагрузки в помещениях с условиями. повышающими уровень опасности поражения электрическим током. Такими сооружениями являются подвалы, ванные комнаты, и другие помещения с повышенной сыростью.

В целях безопасности делают гальваническую развязку оборудования применяемого в медицинских учреждениях. Подключать разделительный трансформатор целесообразно везде, где существуют повышенные требования к безопасности, там, где нет надежной изоляции с землей.

Разновидности

В электротехнике довольно часто используют понижающий трансформатор с гальваническим разделением цепей первичной обмотки и вторичной катушки.

Такого типа разделительный понижающий аппарат позволяет решить две задачи:

• понизить напряжение до требуемого уровня;
• обеспечить безопасную эксплуатацию оборудования.

Семейство силовых трансформаторов включает в себя серии однофазных трансформаторов, обладающими различными номинальными мощностями. Промышленные силовые агрегаты обычно бывают внушительных размеров и устанавливаются стационарно в специальных боксах (см. рис. 2).

Существуют компактные переносные устройства (см. рис. 3).

Применение переносных трансформаторов удобно в тех случаях, когда электрооборудование не может быть установлено стационарно, а используется периодически. Например, при использовании электроинструмента в кабельных колодцах, в подвалах и т.п. При номинальных первичных напряжениях эти устройства стабильно работают. Они хорошо защищены от воздействия влаги и прочих влияний окружающей среды.

Во входных сигнальных блоках, а также в других цепях электронного оборудования применяются малогабаритные, высокочастотные импульсные трансформаторы.

По конструкции сердечника сетевой трансформатор чаще всего бывает стержневого типа. Встречаются также тороидальные модели.

Технические характеристики

Промышленность поставляет на рынок множество моделей с различными характеристиками. Запомнить их просто невозможно. Да в этом нет необходимости. Большинство характеристик будут интересны только узким специалистам.

Для практических целей достаточно знать основные параметры трансформатора. Обычно эти параметры указаны в паспорте устройства.

При выборе разделительного трансформатора обращайте внимание на следующие основные характеристики:

• номинальная мощность;
• частота тока;
• первичное напряжение;
• выходное (вторичное) напряжение;
• условное обозначение схемы соединения обмоток;
• напряжение в режиме короткого замыкания;
• тепловые потери при коротком замыкании;
• ток в режиме холостого хода;
• тепловые потери при работе в режиме холостого хода;
• габаритные размеры.

Номинальная мощность должна совпадать или немного превышать мощность нагрузки. Первичное напряжение должно соответствовать параметрам первичной сети, а вторичное – напряжению питания подключаемых электроприборов. При выборе импульсных трансформаторов обращайте внимание на частоту тока.

Характеристики, выделенные курсивом важны, но для их понимания требуются более глубокие познания в сфере электротехники.

Порядок подключения

Однофазное напряжение формируется методом подключения одной из фаз к нулевому проводу через нагрузку. В нашем случае нагрузкой служит первичная обмотка. Поэтому, когда фазный ток попадает на корпус прибора, то при его касании и одновременном контакте с заземленным предметом, через тело оператора проходит электрический ток.

Применение метода гальванической развязки исключает такую возможность, так как вторичная обмотка не заземлена. Поэтому, перед подключением убедитесь, что вы действительно имеете дело с разделительным трансформатором. Для этого тестером проверьте отсутствие соединения вторичной обмотки с корпусом и с витками первичной обмотки.

В том случае, если вторичная обмотка одна, а обе катушки физически разнесены на разные части сердечника, можно обойтись визуальным осмотром. В противном случае проверка обязательна. Заметьте, что между вторичными обмотками (если их несколько) гальваническая связь может существовать, и это нормально.

Пример схемы подключения приведен на рисунке 5. Обратите внимание, что корпус подключенного оборудования в первичную цепь на этой схеме заземлен. Кроме того, того, чтобы усилить защиту применено УЗО. Если вы используете переносной или стационарный разделительный трансформатор то заземлять оборудование во вторичной цепи не нужно.

Разница потенциалов между фазой и землей в первичной цепи составляет 220 В, в то время, как в защищенной цепи напряжение между фазой и землей нулевое.

Подключайте нагрузки, мощность которых не превышает номинала трансформатора. Несоблюдение этого правила может привести к перегреву обмоток, что чревато разрушениями изоляции.

Использованная литература

• Тихомиров П.М. «Расчет трансформаторов» 1976
• И С. Таев «Основы теории электрических аппаратов» 1987
• Г. Н. Александрова «Теория электрических аппаратов».   1985
• Г. Н. Александрова «Теория электрических аппаратов». 1985

Трансформатор | Устройство, виды, принцип работы

Слово “трансформатор” образуется от английского слова “transform”  – преобразовывать, изменяться. Но дело в том, что сам трансформатор не может как-либо измениться либо поменять форму и так далее. Он обладает еще более удивительный свойством – преобразует переменное напряжение одного значения в переменное напряжение другого значения. Ну разве это не чудо? В этой статье мы будем рассматривать именно трансформаторы напряжения.

Трансформатор напряжения

Трансформатор напряжения можно отнести больше к электротехнике, чем к электронике. Самый обыкновенный однофазный трансформатор напряжения выглядит вот так.

Если откинуть верхнюю защиту трансформатора, то мы можем четко увидеть, то он состоит из какого-то железного каркаса, который собран из металлических пластин, а также из двух катушек, которые намотаны на этот железный каркас. Здесь мы видим, что из одной катушки выходит два черных провода

а с другой катушки два красных провода

Эти обе катушки одеваются на сердечник трансформатора. То есть в результате мы получаем что-то типа этого

Ничего сложного, правда ведь?

Но дальше самое интересное. Если подать на одну из этих катушек переменное напряжение, то в другой катушке тоже появляется переменное напряжение. Но как же так возможно? Ведь эти обмотки абсолютно не касаются друг друга и они изолированы друг от друга. Во чудеса! Все дело, в так называемой электромагнитной индукции.

Если объяснить простым языком, то когда на первичную обмотку подают переменное напряжение, то в сердечнике возникнет переменное магнитное поле с такой же частой. Вторая катушка улавливает это переменное магнитное поле и уже выдает переменное напряжение на своих концах.

Обмотки трансформатора

Эти самые катушки с проводом в трансформаторе называются обмотками. В основном обмотки состоят из медного лакированного провода. Такой провод находится в лаковой изоляции, поэтому, провод в обмотке не коротит друг с другом. Выглядит такой обмоточный трансформаторный провод примерно вот так.

Он может быть разного диаметра. Все зависит от того, на какую нагрузку рассчитан тот или иной трансформатор.

У самого простого однофазного трансформатора можно увидеть две такие обмотки.

Обмотка, на которую подают напряжение называется первичной. В народе ее еще называют “первичка”. Обмотка, с которой уже снимают напряжение называется вторичной или “вторичка”.

Для того, чтобы узнать, где первичная обмотка, а где вторичная, достаточно посмотреть на шильдик трансформатора.

I/P: 220М50Hz (RED-RED) – это говорит нам о том, что два красных провода – это первичная обмотка трансформатора, на которую мы подаем сетевое напряжение 220 Вольт. Почему я думаю, что это первичка? I/P – значит InPut, что в переводе “входной”.

O/P: 12V 0,4A (BLACK, BLACK) – вторичная обмотка трансформатора с выходным напряжением в 12 Вольт (OutPut). Максимальная сила тока, которую может выдать в нагрузку этот трансформатор – это 0,4 Ампера или 400 мА.

Как работает трансформатор

Чтобы разобраться с принципом работы, давайте рассмотрим рисунок.

Здесь мы видим простую модель трансформатора. Подавая на вход переменное напряжение U₁ в первичной обмотке возникает ток I₁ . Так как первичная обмотка намотана на замкнутый магнитопровод, то в нем начинает возникать магнитный поток, который возбуждает во вторичной обмотке напряжение U₂ и ток I₂ . Как вы можете заметить, между первичной и вторичной обмотками трансформатора нет электрического контакта. В электронике это называется гальванически развязаны.

Формула трансформатора

Главная формула трансформатора выглядит так.

где

U₂  – напряжение на вторичной обмотке

U₁ – напряжение на первичной обмотке

N₁ – количество витков первичной обмотки

N₂ – количество витков вторичной обмотки

k – коэффициент трансформации

В трансформаторе соблюдается также закон сохранения энергии, то есть какая мощность заходит в трансформатор, такая мощность выходит из трансформатора:

Эта формула справедлива для идеального трансформатора. Реальный же трансформатор будет выдавать на выходе чуть меньше мощности, чем на его входе. КПД трансформаторов очень высок и порой составляет даже 98%.

Типы трансформаторов по конструкции

Однофазные трансформаторы

Это трансформаторы, которые преобразуют однофазное переменное напряжение одного значения в однофазное переменное напряжение другого значения.

В основном однофазные трансформаторы имеют две обмотки, первичную и вторичную. На первичную обмотку подают одно значение напряжения, а со вторичной снимают нужное нам напряжение. Чаще всего в повседневной жизни можно увидеть так называемые сетевые трансформаторы, у которых первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение, то есть 220 В.

На схемах однофазный трансформатор обозначается так:

Первичная обмотка слева, а вторичная – справа.

Иногда требуется множество различных напряжений для питания различных приборов. Зачем ставить на каждый прибор свой трансформатор, если можно с одного трансформатора получить сразу несколько напряжений? Поэтому, иногда вторичных обмоток бывает несколько пар, а иногда даже некоторые обмотки выводят прямо из имеющихся вторичных обмоток. Такой трансформатор называется трансформатором со множеством вторичных обмоток. На схемах можно увидеть что-то подобное:

Трехфазные трансформаторы

Эти трансформаторы в основном используются в промышленности и чаще всего превосходят по габаритам простые однофазные трансформаторы. Почти все трехфазные трансформаторы считаются силовыми. То есть они используются в цепях, где нужно питать мощные нагрузки. Это могут быть станки ЧПУ и другое промышленное оборудование.

На схемах трехфазные трансформаторы обозначаются вот так:

Первичные обмотки обозначаются заглавными буквами, а вторичные обмотки – маленькими буквами.

Здесь мы видим три типа соединения обмоток (слева-направо)

• звезда-звезда
• звезда-треугольник
• треугольник-звезда

В 90% случаев используется именно звезда-звезда.

Типы трансформаторов по напряжению

Понижающий трансформатор

Это трансформатор, которые понижает напряжение. Допустим, на первичную обмотку мы подаем 220 Вольт, а снимаем 12 Вольт. В этом случае коэффициент трансформации (k) будет больше 1.

Повышающий трансформатор

Это трансформатор, который  повышает напряжение. Допустим,  на первичную обмотку мы подаем 10 Вольт, а со вторичной снимаем уже 110 В. То есть мы повысили наше напряжение 11 раз. У повышающих трансформаторов коэффициент трансформации меньше 1.

Разделительный или развязывающий трансформатор

Такой трансформатор используется в целях электробезопасности. В основном это трансформатор с одинаковым числом обмоток на входе и выходе, то есть его напряжение на первичной обмотке будет равняться напряжению на вторичной обмотке. Нулевой вывод вторичной обмотки такого трансформатора не заземлен. Поэтому, при касании фазы на таком трансформаторе вас не ударит электрическим током. Про его использование можете прочесть в статье про ЛАТР. У развязывающих трансформаторов коэффициент трансформации равен 1.

Согласующий трансформатор

Такой трансформатор используется для согласования входного и выходного сопротивления между каскадами схем.

Работа понижающего трансформатора на практике

Понижающий трансформатор – это такой трансформатор, который выдает на выходе напряжение меньше, чем на входе. Коэффициент трансформации (k) у таких трансформаторов больше 1 . Понижающие трансформаторы – это самый распространенный класс трансформаторов в электротехнике и электронике. Давайте же рассмотрим, как он работает на примере трансформатора 220 В —> 12 В .

Итак, имеем простой однофазный понижающий трансформатор.

Именно на нем мы будем проводить различные опыты.

Подключаем красную первичную обмотку к сети 220 Вольт и замеряем напряжение на вторичной обмотке трансформатора без нагрузки. 13, 21 Вольт, хотя на трансформаторе написано, что он должен выдавать 12 Вольт.

Теперь подключаем нагрузку на вторичную обмотку и видим, что напряжение просело.

Интересно, какую силу тока кушает наша лампа накаливания? Вставляем мультиметр в разрыв цепи и замеряем.

Если судить по шильдику, то на нем написано, что он может выдать в нагрузку 400 мА и напряжение будет 12 Вольт, но как вы видите, при нагрузку близкой к 400 мА у нас напряжение просело почти до 11 Вольт. Вот тебе и китайский трансформатор. Нагружать более, чем 400 мА его не следует. В этом случае напряжение просядет еще больше, и трансформатор будет греться, как утюг.

Как проверить трансформатор

Как проверить на короткое замыкание обмоток

Хотя обмотки  прилегают очень плотно к друг другу, их разделяет лаковый диэлектрик, которым покрываются и первичная и вторичная обмотка. Если где-то возникло короткое замыкание между проводами, то трансформатор будет сильно греться или издавать сильный гул при работе. Также он будет пахнуть горелым лаком. В этом случае стоит замерить напряжение на вторичной обмотке и сравнить, чтобы оно совпадало с паспортным значением.

Проверка на обрыв обмоток

При  обрыве все намного проще. Для этого с помощью мультиметра мы проверяем целостность первичной и вторичной обмотки. Итак, сопротивление первичной обмотки нашего трансформатора чуть более 1 КОм. Значит обмотка целая.

Таким же образом проверяем и вторичную обмотку.

Отсюда делаем вывод, что наш трансформатор жив и здоров.

Похожие статьи по теме “трансформатор”

Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР)

Программа для расчета трансформатора

Как получить постоянное напряжение из переменного

Трансформатор: назначение, принципы работы и правила подключения

Автор Даниил Леонидович На чтение 9 мин. Просмотров 9.2k. Опубликовано 18 ноября Обновлено 18 ноября

Свойства магнитного поля изучаются учеными давно. Впервые электромагнитную индукцию описал Майкл Фарадей. А именно как появляется прочная электромагнитная взаимосвязь в обмотках при создании переменного тока в первой катушке. Во вторичной же катушке повышается напряжение, но мощность и частота остаются прежними. Конечно, несведущему человеку в электричестве сложно понять конструкцию, принцип действия, предназначение трансформатора. Однако, это неотъемлемый прибор с установкой во многих сферах: радиотехника, электроэнергетика.

Трансформаторы напряжения: назначение и принцип действия

Трансформатор – электрическое устройство. Преобразует переменный ток одного напряжения в электрический ток другого напряжения. Частота, согласно явлению электромагнитной индукции, остается неизменной.

Состоит статический трансформатор из:

• первичной и вторичной обмотки;
• сердечника.

Применяется устройство в разных схемах питания и электроприборах. Передает электроэнергию на большие расстояния и:

• снижает потери энергии;
• уменьшает площадь сечения проводов ЛЭП.

Разновидности прибора:

• повышающий;
• понижающий;
• силовой;
• вращающийся;
• импульсный;
• разделительный;
• согласующий.

Понижающий трансформатор применяется в быту. Именно через него проходит и поступает ток в домашние розетки с мощностью 220 Вт.

Силовой агрегат в составе из сердечника и нескольких обмоток преобразует напряжение в электроцепи по принципу электромагнитной индукции. Также значение напряжения переменного тока без изменений его частоты. Применяется для распределения и передачи электрической энергии. Напряжение в обмотках – свыше 300 кВ. Мощность – от 4 кВ до 200000 кВА.

Справка! Трансформатор служит для понижения либо повышения переменного напряжения. Основой является ферромагнитный сердечник. В дополнение для бесперебойной работы – обмотки, изоляция, магнитопровод, система охлаждения.

Обмотки выполнены из изолированных медных проводов прямоугольного сечения. Между их слоями находятся пустоты для циркуляции охлаждающего масла. Роль которого – отбирать тепло у обмоток, передавать через радиаторные трубки в окружающую среду.

Принцип действия устройства основан на:

• изменении магнитного потока;
• создании электромагнитной индукции при прохождении через обмотку;
• подаче напряжения на первичную обмотку;
• воспроизведении магнетизма электрическим током, изменяющимся во времени.

Переменный ток, протекая по первичной обмотке, начинает создавать в магнитопроводе магнитный ток. Постепенно приводит к потоку во всех обмотках, преобразуя гальваническую развязку (переменное напряжение), но без видоизменения частоты.

Стоит знать! Действие прибора основано на электромагнитной индукции. За счет переменного тока образуется магнитное переменное поле вокруг проводника, видоизменяется в электродвижущую силу. Напряжение на выходе полностью зависит от используемого (понижающего, повышающего) трансформатора. Коэффициент ЭДС в обмотках прямо пропорционален количеству витков.

Для чего нужен трансформатор напряжения?

Трансформатор напряжения – универсальное устройство. Передает и распределяет энергию.

Используются в:

• электроустановках;
• блоках питания;
• агрегатах передачи электроэнергии;
• устройствах обработки сигналов;
• источниках питания приборов.

Силовой трансформатор с большим напряжением применяется для:

• подачи энергии в электросети на электростанциях;
• повышения напряжения генератора, линии электропередач;
• снижения напряжения, доходящего до потребительского уровня.

Трехфазный прибор со специальной системой охлаждения используется в электросетях. Сердечник в составе – общий для всех 3-ех фаз.

Область применения сетевого трансформатора – источники электропитания, узлы электроприборов с разным напряжением. Импульсные агрегаты незаменимы для радиотехнических, электронных устройств. Сначала выпрямляют переменное напряжение в блоках питания. Далее за счет инвертора преобразуют высокочастотные импульсы, стабилизирующие постоянное напряжение.

Трансформаторы входят в состав многих схем питания для обеспечения минимального уровня высокочастотных помех. Например, разделительные установки предотвращают угрозу поражения электрическим током для человека. Ведь включение бытовых приборов в сеть через трансформатор становится безопасным.

Вторая цепь у прибора будет изолирована от контактов с землей, если конечно, речь идет о заземлении электрического оборудования. Измерительные силовые приборы применяются в схемах генераторов переменного тока. Количество фаз у генератора из трансформатора должно совпадать для достижения стабильного напряжения на выходе.

Согласующие трансформаторы незаменимы для электронных устройств с высоким входным сопротивлением и высокочастотных линий, но с разным сопротивлением нагрузки.

Как работает трансформатор напряжения?

Приборы преобразуют энергию источника в необходимый коэффициент напряжения. Работают исключительно при переменном напряжении с постоянной частотой. В основе работы – электромагнитная индукция как явление, срабатываемое при изменении во времени магнитного потока, порождении ЭДС в обмотках.

Работа трансформатора начинается в первичной обмотке, где сердечник создает магнитный поток. Далее задействуется переменный ток, намагничивает сердечник, повышает индуктивность первичной обмотки, препятствует нарастанию тока на выводах обмотки напряжения. Если первичная обмотка отдает магнитный поток, то вторичная принимает его, изменяет с определенной скоростью, пронизывая все ветки и создавая ЭДС.

Напряжение на ветках в полной мере зависит от быстроты изменения магнитного потока в сердечнике. Хотя получается одинаковым на ветках первичной и вторичной обмотки благодаря прохождению через них одного и того же магнитного потока.

Он в свою очередь создает вокруг себя электрическое поле в сердечнике, некий вихрь с воздействием на электроны, начиная толкать их в определенную сторону.

Справка! Если сказать проще, то принцип работы трансформатора напряжения основан на возбуждении напряжения во второй обмотке за счет возникшего переменного тока в магнитопроводе.

Чем отличается трансформатор тока от трансформатора напряжения?

Источником питания для трансформатора тока является непосредственно ток. Если он не будет проходить через обмотки, тот агрегат быстро выйдет из строя. Питание для трансформатора напряжения – источники напряжения и он также не будет функционировать при повышенных нагрузках тока.

Отличие между устройствами в разных электрических величинах и схемах включения.

Измерительные трансформаторы напряжения и тока

Приборы с работой под высоким напряжением нуждаются в периодическом измерении.

Для чего этих целей в помощь – измерительные устройства, которые:

• снижают величину напряжения до нужного уровня;
• обеспечивают гальваническую развязку измерительному оборудованию от цепей с повышенной опасностью.

Номинальная мощность, напряжение и ток

Номинальная – мощность, с которой трансформатор работает в определенном классе точности и в соответствии с ГОСТом. Выражается в вольтах, амперах. Незначительные отклонения мощности допускаются, но не выше нормированных величин.

Важно! Во избежание повышения погрешности вторичной нагрузки суммарное потребление обмоток измерительных приборов и реле не должно быть более номинальной мощности трансформатора. Узнать номинальную мощность можно в паспорте к агрегату либо на щитке.

Порог номинального напряжения у трансформатора – 10кВ.

Разница в зависимости от мощности электроприборов составляет для:

• питания электроприемников – 3-6,3кВ;
• крупногабаритных электродвигателей – до 1000В.

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

Закон Фарадея

По закону электромагнитной индукции во вторичной обмотке создается ЭДС напряжение. Вычисляется по формуле – U2 = −N2*dΦ/dt.

Справка! Фарадея – основной закон электродинамики. Гласит о том, что генерируемая электродвижущая сила равняется скорости изменения магнитного потока, но взятой со знаком минус. Именно Майкл Фарадей сделал открытие, когда в ходе экспериментов объявил, что электродвижущая сила начинает появляться в проводнике только при изменении магнитного поля. Величина этой силы прямо пропорциональна скорости изменения магнитного поля.

Все факты содержатся в одном уравнении. Однако, знак минус в законе – правило Ленца, указывающее на возникновение индукционного электрического тока при изменении магнитного поля в проводнике. Действие тока направлено на магнитное поле, начинающего противодействовать изменению магнитного потока.

Правило Ленца не подчиняется законам электродинамики, ведь индукционный ток появляется как в обмотках, так и в сплошных металлических блоках.

Уравнения идеального трансформатора

В таком трансформаторе силовые линии проходят через все ветки первичной, вторичной обмотки. Значит, отсутствуют вихревые потоки и потери энергии. Магнитное поле изменяется, но порождает идентичную ЭДС во всех витках, поэтому становится прямо пропорциональным их общему числу.

Энергия при поступлении из первичной цепи трансформируется в магнитное поле, далее поступает во вторичной цепи.

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

• R1 – коэффициент поступающей мощности из первой цепи на трансформатор;
• R2 – коэффициент преобразованной мощности с поступлением во вторичную цепь.

Если повысить напряжение на концах вторичной обмотки, то снизится уровень тока первичной цепи. Согласно уравнению – U2/U1 = N2/N1 = I1/I2 преобразование сопротивления одной цепи к сопротивлению другой возможно только при умножении величины на квадрат отношения.

Как правильно подключить

Во всех тонкостях электрики сложно разобраться простому человеку, но при использовании трансформатора понижающего типа в быту важно понимать, как происходит процесс подключения.

Бывает, что возникает потребность подключения агрегата сразу на нескольких потребителей.

Стоит знать:

1. При подключении трансформатора сразу на несколько потребителей важно учитывать количество выходных клемм.
2. Общая потребляемая мощность для жильцов должна быть идентичной мощности трансформатора либо немного ниже. По мнению специалистов, идеальный второй показатель выше первого – на 20%.
3. Подключается агрегат через электрическую проводку, размер которой не должен быть слишком большим. Достаточно 2 м при монтаже светодиодного освещения во избежании потери мощности.
4. Суммарная мощность электроприборов не должна быть выше мощности трансформатора.

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

Дополнительная информация! Стоит изначально определять правильное место установки электрического понижающего трансформатора. Нельзя его усердно прятать от посторонних глаз, ведь доступ для демонтажа либо замены должен быть свободным. При этом потребляемая мощность – не ниже мощности трансформатора, иначе процесс монтажа проводить запрещено.

При подключении важно, чтобы совпадали все уравнения, касающиеся модели прибора. Также существенное значение имеет фазировка, если в одну цепь подключается сразу несколько приборов параллельно. Во избежание больших потерь мощности фазы должны быть правильно соединены между собой с образованием замкнутого контура. При несовпадении фаз начнет расти нагрузка и падать мощность. Может произойти короткое замыкание.

Важно! Смотрите на фото, как выглядит упрощенный вид трансформатора.

Трансформатор – электромагнитный аппарат. Повышает либо понижает напряжение переменного тока. Он лишен подвижных частей. Значит, является статическим. По размерам бывает с трехэтажное здание либо миниатюрное, помещаемое в руку. В составе – сердечник и несколько обмоток с расположением на магнитопроводе. Хотя может содержать всего одну обмотку без сердечника.

При работе трансформатора срабатывает принцип электромагнитного взаимодействия. Переменный ток подается на первичную обмотку, меняет направление дважды за цикл. Значит, что вокруг обмотки образуется магнитное поле, но ежесекундно исчезает. Вторичная обмотка – проводник электромагнитного взаимодействия. Там же индуцируется напряжение.

Конечно, простому человеку сложно понять конструкцию, назначение прибора. Для познания можно просто разобрать, прозвонить, подключить или демонтировать в домашних условиях.

10,3. Transformer — документация по глубокому обучению 0.15.1

Быстрый поиск

Показать источник

  pip3 install stn
  

 из stn импортировать пространственную_трансформаторную сеть как трансформатор

out = трансформатор (input_feature_map, theta, out_dims) 

 # params
n_fc = 6
В, В, Ш, С = (2, 200, 200, 3)

# преобразование идентичности
начальный = np.array ([[1., 0, 0], [0, 1., 0]])
начальный = initial.astype ('float32'). flatten ()

# ввод-заполнитель
x = tf.placeholder (tf.float32, [B, H, W, C])

# сеть локализации
W_fc1 = tf.Variable (tf.zeros ([H * W * C, n_fc]), name = 'W_fc1')
b_fc1 = tf.Variable (начальное_значение = начальное, имя = 'b_fc1')
h_fc1 = tf.matmul (tf.zeros ([B, H * W * C]), W_fc1) + b_fc1

# слой пространственного преобразователя
h_trans = трансформатор (x, h_fc1) 

  # Это занимает ~ 5 минут на эпоху и 1750 МБ оперативной памяти на Titan X
luajit main.lua -n -1 --st --locnet 200,300,200 --locnet3 150,150,150 --net idsia_net.lua --cnn 150,200,300,350 -e 14