Всё что нужно знать о трансформаторах: от первичной обмотки до понижающего преобразования

В процессе производства, транспортировки, потребления электроэнергии на различных этапах требуются различные уровни переменного напряжения. Производить электрическую энергию лучше на среднем уровне, для транспортировки на дальние расстояния нужен высокий уровень, к потребителям доводится напряжение ниже 1000 вольт, а конкретный потребитель может требовать и 12, и 5 VAC. Для преобразования переменного напряжения до различных значений требуются специальные устройства.

Внешний вид и назначение

Таким устройством является трансформатор. Если на его выводы подать переменное напряжение одного уровня, с других выводов можно снять переменное напряжение другого уровня, которое зависит от конструкции устройства.

Внешне трансформаторы могут выглядеть абсолютно по-разному. Маленький трансформатор от блока питания небольшой мощности выглядит, как небольшой параллелепипед размером ненамного больше спичечной коробки. Устройства трансформации специального назначения могут быть и меньше или иметь другую форму. А в «большой» электроэнергетике используются масляные трехфазные трансформаторы большой мощности. Они могут быть размерами с небольшой дом.

Общая конструкция и принцип работы

Минимально любой трансформатор содержит:

• одну первичную обмотку (она подключается к источнику напряжения) с количеством витков N1;
• одну вторичную обмотку (к ней подключается нагрузка) с количеством витков N2.

Обе обмотки располагаются недалеко друг от друга. Этого достаточно, чтобы передать энергию из первичной цепи во вторичную с помощью электромагнитной индукции. На практике обе обмотки практически всегда располагают на сердечнике.

Если к первичной обмотке подключить источник питания, который выдает переменное напряжение U₁, через витки потечет переменный ток I₁. Этот ток создаст магнитный поток Ф через поперечное сечение катушки. Магнитный поток концентрируется сердечником и направляется сквозь вторичную обмотку, создавая в ней ЭДС величиной U₂. Если к выводам вторичной обмотки подключить нагрузку, через нее потечет вторичный ток I₂.

Магнитный поток, проходящий мимо вторичной катушки, называется потоком рассеяния. Он не участвует в трансформировании энергии, снижает КПД устройства и считается вредным явлением. Наличие сердечника резко снижает поток рассеяния.

Если принять, что устройство идеально, поток рассеяния в нем отсутствует (как и другие потери), то входная мощность равна выходной:

• Рвых=Pвх

Отсюда следует, что U₁* I₁= U₂ *I₂.

Выходное напряжение определяется соотношением витков обмоток:

• U₁/U₂=N₁/N₂=k

Величина k называется коэффициентом трансформации (или витковым коэффициентом трансформации — он не всегда совпадает с фактическим).

Из приведенных соотношений следует, что:

• U₂=U₁*(N₂/N₁)=U₁*k;
• I₂=I₁/k=I₁/(N₂/N₂).

Следовательно, если в устройстве трансформации потери отсутствуют, то напряжения прямо пропорциональны соотношению витков, а токи обратно пропорциональны этому соотношению.

Основные технические характеристики

Кроме коэффициента трансформации, важной характеристикой при выборе устройства является номинальное напряжение вторичной обмотки. Узел, рассчитанный на подключение в первичную цепь 220 вольт, очевидно, не может быть подключен в сеть, например, 100 000 вольт.

Следующим параметром, которым надо руководствоваться при выборе – габаритная мощность. Она должна превышать общую мощность всех потребителей, подключенных ко всем вторичным обмоткам. А еще надо номинальный ток каждой обмотки соотнеси с максимально возможным током всех потребителей, подключенных к ее выводам.

У трансформатора есть и иные параметры:

• потери холостого хода;
• напряжение короткого замыкания;
• перегрузочная способность;
• прочие характеристики.

Эти цифры нужны при серьезном проектировании устройств преобразования уровней напряжения.

Режимы работы

Существует три основных режима работы устройств трансформации напряжения:

1. Режим холостого хода. В этом случае нагрузка к вторичной обмотке не подключена, передача электроэнергии не происходит.

   

   Выходное напряжение равно U₂, ток I₂ равен нулю, ток I₁ определяется потерями (в обмотке и сердечнике). Этот режим на практике используется для некоторых измерений параметров во время профилактической наладки и после ремонта.

2. Режим нагрузки – к выводам вторичной катушки подключен потребитель электроэнергии. Обычный режим коммерческого использования электрооборудования. Ток I₂ определяется мощностью нагрузки, I₁ – мощностью нагрузки и потерями. Выходное напряжение, в общем случае, меньше напряжения холостого хода и определяется соотношением мощности нагрузки и выходного сопротивления устройства.
3. Режим короткого замыкания. Вторичная обмотка замкнута накоротко, сопротивление нагрузки равно нулю. Теоретически ток I₂ (и I₁) равен бесконечности, практически ограничивается мощностью трансформатора и мощностью источника электроэнергии.

Режим КЗ кратковременно используется для снятия некоторых характеристик трансформатора, но чаще всего он возникает в аварийной ситуации и требует немедленного отключения.

При этом существуют трансформаторы, режим КЗ для которых является нормальным режимом. Это так называемые трансформаторы тока. При определенных условиях у них ток во вторичной обмотке обратно пропорционален току в первичной. Этим можно пользоваться для измерений, включая первичную обмотку последовательно с нагрузкой. Имея определенные отличия в конструктиве, они работают по тому же принципу (трансформатор «не знает», что он трансформирует ток).

Режим холостого хода (разомкнутой вторичной цепи) для трансформаторов тока является нештатным и опасным.

Классификация трансформаторов

Классифицировать устройства трансформации можно по разным критериям – как конструктивным, так и электрическим.

По способу охлаждения

В качестве охлаждающей среды в устройствах трансформации электрической энергии может применяться масло. По этому критерию они делятся на:

• масляные трансформаторы;
• сухие (охлаждаются окружающим воздухом, естественным или принудительным потоком).

Масляное исполнение обычно бывает у мощных высоковольтных трансформаторов. Кроме охлаждающей функции, масло выполняет еще и изолирующую роль.

В качестве изолирующей среды в некоторых случаях используется элегаз (шестифтористая сера). Устройства трансформации с такой изоляцией называются элегазовыми.

По отношению выходного напряжения

Есть трансформаторы, у которых выходное напряжение выше входного. Это означает, что количество витков во вторичной катушке больше, чем в первичной, а коэффициент трансформации k>1. Такие трансформаторы называются повышающими.

У других типов преобразовательных устройств выходное напряжение ниже входного, количество витков во вторичной обмотке ниже, чем в первичной, k<1. Это понижающие трансформаторы.

По количеству обмоток

В самом минимальном случае узел трансформации содержит две обмотки – первичную и вторичную. В практических конструкциях вторичных обмоток может быть больше одной:

• трансформатор с одной вторичной катушкой (+первичная) называется двухобмоточным;
• устройство с двумя вторичными обмотками – трехобмоточным;
• если вторичных обмоток еще больше – трансформатор называется по их количеству.

Преобразователь напряжения с несколькими вторичными катушками может быть одновременно понижающим и повышающим. Так, силовой трансформатор для питания ламповых электронных устройств от сети 220 вольт может питать анодные цепи ламп напряжением 350 вольт и цепи накала напряжением 6 вольт (от разных обмоток).

По назначению

Устройства, предназначенные для питания потребителей или для передачи энергии, называются силовыми трансформаторами. Они рассчитаны на достаточно большие токи.

Есть устройства, которые преобразуют напряжения для измерений электрических величин. Например, сложно создать вольтметр, который непосредственно подключается в сеть 110 кВ для измерения напряжения. Но можно включить его через промежуточный трансформатор с точно известным коэффициентом трансформации (измерительный трансформатор). Такие устройства обычно имеют небольшую мощность, зато высокую точность.

Шкала вольтметра в таких случаях градуируется с учетом коэффициента трансформации.

В радиотехнике применяют так называемые согласующие трансформаторы – они позволяют согласовать устройства с различным входным и выходным сопротивлением. Такие устройства называют трансформаторами сопротивления, хотя они работают по тому же принципу.

По количеству фаз

В однофазных сетях применяются устройства с одной первичной обмоткой. Такие трансформаторы называются однофазными. В трехфазных сетях трансформируется каждая фаза, для этого можно использовать три однофазных узла. Но чаще применяются трансформаторы с тремя первичными и тремя (или более) катушками. Такие трансформаторы называются трехфазными.

По форме сердечника

Рассмотренный выше трансформатор выполнен на так называемом стержневом сердечнике. На одном стержне установлена первичная обмотка, на втором – вторичная. Соответственно, сердечник называется двухстержневым. Улучшения КПД можно добиться, используя трехстержневую конструкцию. В ней магнитный поток (красная штриховая линия на рисунке) замыкается через два стержня, что снижает поток рассеяния.

Трехфазные трансформаторы в большинстве случаев выполняют на трехстержневых сердечниках. А некоторые типы (например, измерительные) изготавливают на пятистержневых каркасах. Это удорожает конструкцию, зато повышает точность измерения.

Еще меньше потерь магнитного поля в тороидальном сердечнике – весь магнитный поток замыкается внутри, рассеяние практически отсутствует. Но такие устройства сложны в производстве, их применяют реже, чем они этого заслуживают.

Автотрансформаторы

В отдельный класс надо выделить так называемые автотрансформаторы. Эти трансформаторы устроены так, что у них вторичная обмотка является частью первичной (или наоборот).

Автотрансформатор нельзя рассматривать, как индуктивный делитель напряжения. В нем передача энергии происходит посредством магнитной индукции между обмотками.

Подобное исполнение позволяет получить некоторые преимущества (простота изготовления, улучшенные массогабаритные показатели). Но есть и минусы, которые ограничивают применение таких устройств. Основные из них – повышенные требования к изоляции обмоток и наличие гальванической связи между первичными и вторичными цепями.

Маркировка и обозначение на чертежах

Трансформаторы маркируются буквенно-цифровым индексом. В большинстве случаев буквенная часть начинается с буквы Т (трансформатор).

Это правило выполняется не всегда. Так, в обозначении трансформатора НТМИ буква Т находится не на первой позиции, а в маркировке НАМИ (или НОЛ) отсутствует совсем.

После Т (иногда – до) могут следовать одна еще несколько букв, обозначающие назначение, конструкцию или исполнение трансформатора:

• ТИ – трансформатор импульсный;
• НТМИ – трансформатор напряжения масляный измерительный;
• ТМ – трансформатор масляный;
• ТПП – для питания полупроводниковых схем;
• ТН – для питания цепей накала;
• ТМГ – трансформатор масляный в герметичном исполнении;
• ТПОЛ – трансформатор (тока) одновитковый с литой изоляцией.

Следующая цифра может обозначать первичное напряжение, мощность или просто номер модификации:

• ТИ-3 – третья модель;
• ТМГ-1000 – мощность 1000 МВА;
• ТПЛ-10 – напряжение первичной обмотки 10 кВ.

В маркировке могут присутствовать и другие цифры, несущие дополнительную информацию об устройстве. Чтобы определить параметры трансформатора по цифрам, придется заглянуть в справочник.

На электрических схемах обозначение трансформаторов отображает наличие и количества основных функциональных узлов:

• обмоток, из которых состоит устройство трансформации;
• сердечника.

Каждую обмотку обозначают отдельно. На рисунке показан пример УГО устройства с одной первичной и тремя вторичными обмотками. Пунктирной линией, подключенной к символу заземление, обозначена экранная обмотка (есть не у всех трансформаторов).

В энергетике могут использоваться иные, упрощенные УГО. Каждая обмотка трехфазного устройства обозначается окружностью, в которой может быть указана схема соединения, возможность регулирования напряжения и т.п.

Трансформатор – довольно дорогая, тяжелая и габаритная конструкция. Конструктивы этих устройств постоянно совершенствуются, повышается КПД, снижаются потери, стоимость и габариты. Но ничего принципиально другого, столь же удачно приспособленного для преобразования уровней напряжения, не придумано и в обозримом будущем в этом направлении прорыва не ожидается.