У вас большие запросы!
Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.
Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.
Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад
Назначение и принцип действия однофазного трансформатора
В энергетической сфере деятельности используются первичные источники высокого переменного напряжения, однако в быту или на предприятиях необходимо значительно его снизить. Для этой цели применяются трансформаторы. Для полного понимания и грамотного применения напряжения в быту необходимо знать принцип действия однофазного трансформатора.
Общие сведения о трансформаторах
Значительно легче передавать переменный ток на большие расстояния, так как достигаются минимальные потери, связанные с величинами напряжения (U) и тока (I). Кроме того, для передачи не переменного, а постоянного I необходимо применять сложную электронику, которая основана на усилении параметров электричества. Основной частью этой технологии являются мощные транзисторы, которые требуют специального охлаждения, и главным критерием является цена. Использование трансформаторов, которые работают только от переменной величины тока, является оптимальным решением.
Назначение и устройство
Трансформатор (Т) — это специализированное электрическое устройство, которое работает только от переменного I и используется для преобразования значений входного U и I в необходимые значения этих величин, предусмотренных потребителем.
Т является довольно примитивным устройством, однако в его конструкции есть некоторые особенности. Для понимания принципа действия однофазного трансформатора следует изучить его назначение и устройство. Устроен однофазный трансформатор следующим образом — он состоит из магнитопровода и обмоток.
Магнитопровод, или сердечник трансформатора, выполнен из ферромагнитного материала.
Ферромагнетики — это вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью. Это обусловлено тем, что атомы вещества обладают очень важными свойствами: постоянные спиновые и орбитальные моменты. Свойства ферромагнетиков зависят от температуры и действия магнитного поля. Для изготовления магнитопровода Т используются такие материалы: электротехническая сталь или пермаллой.
Электротехническая сталь содержит в своем составе большую массовую долю кремния (Si), которая под действием высокой температуры соединяется с атомами углерода ©. Этот тип используется во всех типах Т, независимо от мощности.
Пермаллой является сплавом, состоящим из никеля (Ni) и железа (Fe), и применяется только в маломощных трансформаторах.
Тип Т представляет собой катушки, состоящие из каркаса и провода, покрытого изоляционным материалом. Этот провод намотан на основание катушек, и количество витков зависит от параметров Т. Количество катушек может быть 2 и более, оно зависит от конструктивной особенности электрического устройства и определяется сферой применения.
Принцип действия
Принцип работы однофазного трансформатора довольно простой и основан на генерации электродвижущей силы (ЭДС) в обмотках проводника, который находится в движущемся магнитном поле и сгенерирован при помощи переменного I. При прохождении электричества по обмоткам первичной катушки создается магнитный поток (Ф), который пронизывает и вторичную катушку. Силовые линии Ф благодаря замкнутой конструкции магнитопровода имеют замкнутую структуру. Для получения оптимальной мощности Т необходимо располагать катушки обмоток на близком расстоянии относительно друг друга.
Исходя из закона электромагнитной индукции происходит изменение Ф и индуцируется в первичной обмотке ЭДС. Эта величина называется ЭДС самоиндукции, а во вторичной — ЭДС взаимоиндукции.
При подключении потребителя к первичной обмотке Т в цепи появится электрическая энергия, которая передается из первичной обмотки через магнитопровод (катушки не связаны гальванически). В этом случае средством передачи электроэнергии служит только Ф. Трансформаторы по конструктивной особенности бывают различные. По достижению максимальной магнитной связи (МС) Т делятся на следующие типы:
При слабой МС происходит значительная потеря энергии и Т такого типа практически не применяются. Основной особенностью таких Т являются незамкнутые сердечники.
Уровень средней МС достигается только при полностью замкнутом магнитопроводе. Одним из примеров такого Т является стержневой тип, у которого обмотки расположены на железных стержнях и соединены между собой накладками или ярмами. В результате такой конструкции получается полностью замкнутый сердечник.
Примером сильной МС является Т броневого типа, обмотки которого располагаются на одной или нескольких катушках. Эти обмотки расположены очень близко, благодаря чему и обеспечивается минимальная потеря электрической энергии. Магнитопровод полностью покрывает катушки, создавая более сильный Ф, который разбивается на 2 части. У трансформаторов такого типа потоки сцепления между обмотками практически равны.
Режимы работы
Т, как и любой вторичный источник питания, имеет определенные режимы работы. Режимы отличаются потреблением I. Существует 2 режима: холостого хода и нагрузки. При холостом ходе Т потребляет минимальное количество I, которое используется только на намагничивание и потери в обмотках на нагревание. Кроме того, происходит рассеивание магнитного поля. Ф создается I магнитодвижущей силы, которую генерирует первичная обмотка. В этом случае I холостого хода составляет 3−10% от номинального показателя (Iн).
При нагрузке во II обмотке появляется I, а значит — и магнитодвижущая сила (МДС). По закону Ленца: МДС II обмотки действует против МДС первичной обмотки. При этом ЭДС в первичной обмотке во время нагрузки Т равна U и прямо пропорциональна Ф. В этом случае получение k можно записать в виде: I1 / I2 = w2/w1 = 1/k.
Исходя из формул для расчета k, можно получить еще одно соотношение Т: e1 * I1 = e2 * I2 = 1.
Это соотношение показывает, что мощность, потребляемая первичной обмоткой, равна мощности, которую потребляет II обмотка при нагрузке. Мощность Т измеряется в вольт-амперах (ВА).
Основные параметры
Кроме того, следует отметить, что любой Т обладает некоторыми параметрами, которые и отличаются от других трансформаторов. К тому же, если понимать эти зависимости, то можно рассчитать и изготовить Т своими руками.
Связь между ЭДС, возникающей в обмотках Т, зависит от количества витков каждой из них. Исходя из того, что I и II обмотки пронизываются одним и тем же Ф, возможно вычислить следующее соотношение на основании общего закона индукции для мгновенных значений ЭДС:
- Для первичной с количеством витков w1: e1 = — w1 * dФ/dt * E-8.
- Для вторичной с количеством витков w2: e2 = — w2 * dФ/dt * E-8.
Соотношение dФ/dt показывает величину изменения Ф за единицу времени. Значение потока Ф зависит от закона изменения переменного тока за единицу времени. Исходя из этих выражений получается следующая формула соотношения числа витков к ЭДС каждой обмотки:
Следовательно, можно сделать следующий вывод: индуцируемые в обмотках значения ЭДС также относятся к друг другу, как и число витков обмоток. Для более простой записи можно сопоставить значения e и U: e = U. Из этого следует, что e1 = U1 e2 = U2 и возможно получить еще одну величину, называемую коэффициентом трансформации (к): e1/e2 = U1/U2 = w1 / w2 = k. По коэффициенту трансформации Т делятся на понижающие и повышающие.
Понижающим является Т, k которого меньше 1, и, соответственно, если к > 1, то он является повышающим. При отсутствии потерь в проводах обмоток и рассеивания Ф (они незначительны и ими можно пренебречь) вычислить основной параметр Т (k) достаточно просто. Для этого необходимо воспользоваться следующим простым алгоритмом нахождения k: найти соотношения U обмоток (если обмоток более 2, то соотношение нужно искать для всех обмоток).
Однако расчет k является только первым шагом для дальнейшего расчета или выявления неисправности на наличие короткозамкнутых витков.
Чтобы определить значения U, необходимо использовать 2 вольтметра, точность которых составляет около 0,2−0,5. Кроме того, для определения k существуют такие способы:
- По паспорту.
- Практически.
- Использование определенного моста (мост Шеринга).
- Прибором, предназначенным для этой цели (УИКТ).
Таким образом, принцип работы однофазного трансформатора основан на простом законе физики, а именно: если проводник с n количеством витков поместить в магнитное поле, причем это поле должно постоянно меняться с течением времени, то в витках будет генерироваться ЭДС. В этом случае справедливо и обратное утверждение: если в постоянное магнитное поле поместить проводник и осуществлять им движения, то в его обмотках начинает появляться ЭДС.
Общая конструкция сердечников однофазных трансформаторов
Сердечники однофазных и трехфазных трансформаторов конструируются обычно таким образом, чтобы катушки обмоток можно было изготовлять отдельно на особых станках и затем пускать их в сборку в готовом виде. С этой целью пластины железа сердечников режутся вполне определенной формы и собираются определенным способом. Форма пластин железа диктуется еще и тем, чтобы при нарезке их из листов железа стандартных размеров получилось возможно меньше отходов. Что касается способа сборки пластин, то он должен обеспечить наименьшее магнитное сопротивление сердечников; только при этом условии намагничивающий ток трансформатора будет небольшим. У маломощных трансформаторов (например, у звонковых трансформаторов), у которых намагничивающий так, вообще говоря, относительно велик, сердечник набирается часто из неразрезанных пластин. Катушки наматываются в этом случае вручную на готовый сердечник.
У мощных трансформаторов сердечники собираются из нарезанных пластин железа, причем отдельные части сердечника (ярмо и стержни) связываются друг с другом или «в притык» или же «в нахлестку».
Примером связи частей сердечника в притык может служить сердечник однофазного трансформатора стержневого типа, изображенный на рис. 11. Как видно из рисунка, сердечник составляется из двух отдельных стержней (керн) и двух ярем, которые тем или иным способом к ним притягиваются. Как стержни, так и ярмо набираются независимо друг от друга.
Для того чтобы при сборке получить правильное положение стержней относительно каждого ярма, у мощных трансформаторов применяются цапфы (на рис. 10 изображены пунктиром), которые входят в углубления, имеющиеся в ярмах и в стержнях. Цапфы изготовляются из не проводящих электрический ток материалов, во избежание металлического соединения листов железа друг с другом и появления больших токов Фуко. Для уменьшения токов Фуко в сердечнике прокладывают иногда в местах стыка стержней и ярма прессшпан, асбестовую бумагу или не растворимый в масле миканит. Назначение этих прокладок заключается в изолировании пластин железа ярма от пластин стержней, так как трудно смонтировать сердечник так, чтобы пластины ярма являлись продолжением пластин стержня. В том случае, когда пластины ярма в месте стыка попадают между пластинами стержня, нарушается изоляция последних друг от друга, что влечет за собою увеличение токов Фуко. Так как сборка сердечников в притык допускает изготовление частей сердечника каждой в отдельности и монтаж этих частей несложен, то такой метод сборки и применяется весьма часто у мощных и стержневых трансформаторов.
При выполнении связи частей сердечника в нахлестку („в набор», в „переплет», или шихтовкой) пластины одной части, например стержня, переплетаются с пластинами другой части, например ярма, образуя в месте соединения слой из пластин, принадлежащих поочередно одной и другой части. Рис. 12 дает ясное представление о соединении листов железа в нахлестку.
Примером выполнения сердечника однофазного трансформатора стержневого типа в нахлестку может служить сердечник, изображенный на рис. 13. Этот сердечник собирается из чередующихся друг с другом слоев а и б, из которых каждый содержит пластины только двух размеров. При наложении одного слоя на другой места Стыков пластин одного слоя покрываются пластинами другого слоя.
Примером выполнения сердечника однофазного трансформатора броневого типа в нахлестку может служить сердечник, изображенный на рис. 14. Сердечник состоит из двух частей, причем каждая часть составляется из двух пар одинаковых пластин 1—1 и 2—2. Отдельные слои пластин накладываются друг на друга таким образом, что стыки одного слоя перекрываются пластинами следующего слоя.
В виду того, что сердечники, набранные в нахлестку, требуют несколько меньший намагничивающий ток и меньше гудят при неудовлетворительной сборке, чем сердечники, набранные в притык, в настоящее время имеется тенденция сердечники больших трансформаторов стержневого типа выполнять также в. нахлестку.
Аналогичную, но более упрощенную конструкцию имеет сердечник трансформатора, схематически изображенного на рис. 15б. Сердечник этого трансформатора состоит из четырех пластинчатых колец а1 а2, а3 и а4, охватывающих обмотки В и Н и расположенных под прямым углом друг к другу.
Для того, чтобы сердечнику придать механическую прочность, пластины его сжимаются или при помощи болтов и заклепок, проходящих через толщу сердечника, или же при помощи чугунных плит (или швеллеров), накладываемых на сердечник. Своеобразную конструкцию имеет сердечник у так называемого «Берри-трансформатора» броневого типа, схематически изображенного на рис. 15а. Как видно из рисунка, сердечник этого трансформатора состоит из ряда колец а2 а4. а3. охватывающих кольцевые обмотки высокого и низкого напряжения В и Н равномерно по всему их периметру.
Все устройство, предназначенное для придания механической прочности сердечнику, должно выполняться так, чтобы оно не мешало охлаждению трансформатора и не вызывало добавочных потерь от токов Фуко. В том случае, когда сжимные болты или заклепки пропускаются через толщу сердечника, эти болты должны быть тщательно изолированы от железа, во избежание электрического соединения ими пластин железа, что влечет за собою увеличение потерь на токи Фуко в железе. У трансформаторов небольшой мощности в качестве сжимных болтов с успехом применяют деревянные шпильки, проходящие через толщу сердечника, с ввинчиваемыми в них с торцов шурупами для дерева.
Чтобы получить равномерное сжатие листов, под сжимные болты подкладываются железные пластины толщиною около 1 мм. Сжимные плиты (щеки) целесообразно выполнять из немагнитного материала. Часто, однако, их выполняют из чугуна, но располагают так, чтобы они не увеличивали магнитное рассеяние обмоток и тем самым не увеличивали потерь на токи Фуко. У трансформаторов небольшой мощности, работающих в масле, сжимные щеки у ярма выполняются из дерева.
В настоящее время производятся опыты в отношении полной или частичной замены стяжных болтов склеиванием железных листов помощью бакелитовой массы при высоком давлении (10-50 am).
Типы магнитопроводов трансформаторов
Магнитопровод. Магнитопровод в трансформаторе выполняет две функции: во-первых, он составляет магнитную цепь, по которой замыкается основной магнитный поток трансформатора, а во-вторых, он предназначен для установки и крепления обмоток, отводов, переключателей. Магнитопровод имеет шихтованную конструкцию, т. е. он состоит из тонких (обычно толщиной 0,5 мм) стальных пластин, покрытых с двух сторон изолирующей пленкой (например, лаком). Такая конструкция магнитопровода обусловлена стремлением ослабить вихревые токи, наводимые в нем переменным магнитным потоком, а, следовательно, уменьшить величину потерь энергии в трансформаторе.
Силовые трансформаторы выполняются с магнитопроводами трех типов: стержневого, броневого и бронестержневого.
Рис. 1.3. Форма сечения стержней:
а – трансформаторов малой и средней мощности;
б – трансформаторов большой мощности
В магнитопроводе стержневого типа (рис. 1.2, а) вертикальные стержни 1, на которых расположены обмотки 2,сверху и снизу замкнуты ярмами 3.На каждом стержне расположены обмотки соответствующей фазы и проходит магнитный поток этой фазы: в крайних стержнях — потоки ФА и Фс, а в среднем стержне — поток Фв. На рис. 1.2, б показан внешний вид магнитопровода. При этом стержни имеют ступенчатое сечение, вписываемое в круг диаметром d(рис. 1.3). Стержни трансформаторов большой мощности имеют много ступеней, что обеспечивает лучшее заполнение сталью площади внутри обмотки. Для лучшей теплоотдачи иногда между отдельными пакетами стержня оставляют воздушные зазоры шириной 5—6 мм, служащие вентиляционными каналами. 
Рис. 1.4. Однофазный трансформатор броневого типа: а- устройство; б- внешний вид
Магнитопровод броневого типа представляет собой разветвленную конструкцию со стержнем и ярмами, частично прикрывающими («бронирующими») обмотки (рис. 1.4). Магнитный поток в стержне магнитопровода броневого типа в два раза больше, чем в ярмах, каждое из которых имеет сечение, вдвое меньшее сечения стержня. Из-за технологической сложности изготовления магнитопроводы броневого типа не получили широкого распространения, их применяют лишь в силовых трансформаторах весьма малой мощности (радиотрансформаторы). 
Рис. 1.5. Магнитопроводы бронестержневых трансформаторов: а — однофазного; б — трехфазного
В трансформаторах большой мощности применяют бронестержневую конструкцию магнитопровода (рис. 1.5), которая хотя и требует несколько повышенного расхода электротехнической стали, но позволяет уменьшить высоту магнитопровода (НБС < НС), а следовательно, и высоту трансформатора. Это имеет большое значение при транспортировке трансформаторов.
По способу сочленения стержней с ярмами различают стыковую и шихтованную конструкции стержневого магнитопровода (рис. 1.6). 
Рис. 1.6. Стыковая (а) и шихтованная (б) конструкции магнитопроводов
При стыковой конструкции (рис. 1.6, а) стержни и ярма собирают раздельно, насаживают обмотки на стержни, а затем приставляют верхнее и нижнее ярма, заранее проложив изолирующие прокладки между стыкующими элементами, с целью ослабления вихревых токов, возникающих при взаимном перекрытии листов стержней и ярм. После установки двух ярм всю конструкцию прессуют и стягивают вертикальными шпильками. Стыковая конструкция хотя и облегчает сборку магнитопровода, но не получила распространения в силовых трансформаторах из-за громоздкости стяжных устройств и необходимости механической обработки стыкующихся поверхностей для уменьшения магнитного сопротивления в месте стыка.
Шихтованная конструкция магнитопроводов силовых трансформаторов показана на рис. 1.6, б, когда стержни и ярма собирают слоями в переплет. Обычно слой содержит 2–3 листа. В настоящее время магнитопроводм силовых трансформаторов изготовляют из холоднокатаной электротехнической стали, у которой магнитные свойства вдоль направления прокатки листов лучше, чем поперек. Поэтому при шихтованной конструкции в местах поворота листов на 90° появляются «зоны несовпадения» направления прокатки с направлением магнитного потока, На этих участках наблюдаются увеличение магнитного сопротивления и рост магнитных потерь. С целью ослабления этого явления применяют для шихтовки пластины (полосы) со скошенными краями. В этом случае вместо прямого стыка (рис. 1.7, а) получают косой стык (рис. 1.7, б), у которого «зона несовпадения» гораздо меньше.
Недостатком магнитопроводов шихтованной конструкции является некоторая сложность сборки, так как для насадки обмоток на стержни приходится расшлихтовывать верхнее ярмо, а затем после насадки обмоток вновь его зашихтовывать. 
Стержни магнитопроводов во избежание распушения спрессовывают (скрепляют). Делают это обычно наложением на стержень бандажа из стеклоленты или стальной проволоки. Стальной бандаж выполняют с изолирующей пряжкой, что исключает создание замкнутых стальных витков на стержнях. Бандаж накладывают равномерно, с определенным натягом. Для опрессовки ярм 3 и мест их сочленения со стержнями 1 используют ярмовые балки 2, которые в местах, выходящих за крайние стержни (рис. 18), стягивают шпильками.
Во избежание возникновения разности потенциалов между металлическими частями во время работы трансформатора, что может вызвать пробой изоляционных промежутков, разделяющих эти части, магнитопровод и детали его крепления обязательно заземляют. Заземление осуществляют медными лентами, вставляемыми между стальными пластинами магнитопровода одними концами и прикрепляемыми к ярмовым балкам другими концами. 
Магнитопроводы трансформаторов малой мощности (обычно мощностью не более 1 кВ·А) чаще всего изготовляют из узкой ленты электротехнической холоднокатаной стали путем навивки. Такие магнитопроводы делают разрезными (рис. 1.9), а после насадки обмоток собирают встык и стягивают специальными хомутами.