Трансформатор

Трансформатор — это статическое (не имеющее движущихся частей) электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока с одним напряжением в электрическую энергию переменного тока с другим напряжением (или с другим числом фаз) посредством электромагнитной индукции, при неизменной частоте тока. Основными элементами трансформатора являются замкнутый магнитопровод (сердечник) и две или более обмотки, электрически изолированные друг от друга и от сердечника. Трансформаторы являются ключевыми элементами систем передачи, распределения и потребления электроэнергии, а также широко применяются в радиоэлектронике, автоматике и измерительной технике.

История

Явление электромагнитной индукции было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году. В том же году он построил первый прототип трансформатора — индукционное кольцо («кольцо Фарадея»), состоявшее из железного кольца и двух изолированных обмоток. При пропускании тока через одну обмотку в другой возникал ток. Однако устройство Фарадея не нашло практического применения из-за отсутствия источников переменного тока.

Дальнейшее развитие связано с именем Павла Николаевича Яблочкова, который в 1876 году применил индукционную катушку для питания изобретённых им электрических свечей (дуговых ламп). Это устройство, названное «трансформатором Яблочкова», имело разомкнутый сердечник и обеспечивало гальваническую развязку цепей переменного тока.

Первый трансформатор с замкнутым магнитопроводом, близкий к современной конструкции, был создан в 1885 году венгерскими инженерами Отто Блати, Микшей Дери и Каролем Циперновским (компания Ganz). Они же ввели в обиход термин «трансформатор» (от лат. transformare — преобразовывать). В 1889 году русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский разработал трёхфазный трансформатор с радиально-стержневой конструкцией магнитной системы, ставший прототипом современных силовых трансформаторов.

Устройство и принцип действия

Основные элементы

Конструктивно трансформатор состоит из:

• Магнитопровод (сердечник) — деталь из ферромагнитного материала (электротехническая сталь, феррит), служащая для концентрации и направления магнитного потока. Изготавливается из изолированных листов (шихтованный сердечник) для снижения вихревых токов.
• Обмотки — системы витков изолированного медного или алюминиевого провода, намотанные на стержни магнитопровода. Различают первичную обмотку (подключается к источнику питания) и вторичную (к нагрузке). В многообмоточных трансформаторах может быть несколько вторичных обмоток.
• Система охлаждения — обеспечивает отвод тепла, выделяющегося при работе. Для маломощных трансформаторов достаточно естественного воздушного охлаждения; для мощных применяют масляное (трансформаторное масло) или принудительное воздушное/водяное охлаждение.
• Изоляция — разделяет токоведущие части между собой и от корпуса. В масляных трансформаторах масло выполняет и функцию изоляции.
• Бак (для масляных трансформаторов) — герметичный корпус, заполненный маслом, в который помещены активная часть (сердечник с обмотками) и переключатели.

Принцип действия

Работа трансформатора основана на законе электромагнитной индукции. При подаче переменного напряжения на первичную обмотку по ней протекает переменный ток, создающий в магнитопроводе переменный магнитный поток. Этот поток пронизывает витки вторичной обмотки и индуцирует в ней электродвижущую силу (ЭДС). Если вторичная обмотка замкнута на нагрузку, в ней возникает ток.

Отношение напряжений на первичной (\(U_1\)) и вторичной (\(U_2\)) обмотках в режиме холостого хода (без нагрузки) приблизительно равно отношению числа витков этих обмоток (\(w_1\) и \(w_2\)):

\[ \frac{U_1}{U_2} \approx \frac{w_1}{w_2} \]

Это отношение называется коэффициентом трансформации. Если \(w_1 > w_2\), трансформатор понижает напряжение; если \(w_1 < w_2\) — повышает. При подключении нагрузки токи в обмотках изменяются обратно пропорционально числу витков, так что мощность, передаваемая во вторичную цепь (с учётом КПД), примерно равна мощности, потребляемой из первичной сети.

Классификация

Трансформаторы классифицируются по нескольким основным признакам:

По назначению

• Силовые трансформаторы — предназначены для преобразования электроэнергии в электрических сетях и установках. Делятся на повышающие (на электростанциях) и понижающие (на подстанциях и у потребителей). Работают при частоте 50 Гц (в России) или 60 Гц (в США, Японии).
• Измерительные трансформаторы — используются для расширения пределов измерения электроизмерительных приборов (трансформаторы тока и трансформаторы напряжения) и для гальванической развязки цепей измерения.
• Импульсные трансформаторы — предназначены для преобразования коротких импульсов напряжения с минимальными искажениями формы. Применяются в радиолокации, телевидении, импульсных блоках питания.
• Разделительные трансформаторы — обеспечивают гальваническую развязку цепей для защиты человека от поражения электрическим током и для подавления помех.
• Согласующие трансформаторы — служат для согласования выходного сопротивления источника сигнала с входным сопротивлением нагрузки (например, в аудиотехнике).
• Пик-трансформаторы — преобразуют синусоидальное напряжение в импульсное.
• Автотрансформаторы — имеют одну обмотку, часть витков которой является общей для первичной и вторичной цепей. Обеспечивают гальваническую связь между цепями.

По числу фаз

• Однофазные.
• Трёхфазные (наиболее распространены в энергетике).
• Многофазные (например, шестифазные для выпрямительных установок).

По типу магнитопровода

• Стержневые — обмотки располагаются на стержнях, соединённых ярмами. Наиболее распространённая конструкция для силовых трансформаторов.
• Броневые — обмотки частично или полностью охватываются сердечником. Обеспечивают лучшую защиту от внешних полей, применяются в маломощных устройствах.
• Тороидальные — сердечник имеет форму кольца (тора). Характеризуются минимальным рассеянием магнитного поля и высоким КПД, но сложны в намотке.

По способу охлаждения

• Сухие (воздушное охлаждение) — для малых и средних мощностей, в пожароопасных помещениях.
• Масляные (жидкостное охлаждение) — для больших мощностей, устанавливаются на подстанциях.
• С элегазовым охлаждением (газ SF6) — для взрывопожароопасных сред.

Применение

Трансформаторы являются неотъемлемой частью современной электроэнергетики и электроники.

• Электроэнергетика: передача электроэнергии на большие расстояния. На электростанциях генераторное напряжение (10–20 кВ) повышается до 110–750 кВ и выше для снижения потерь в линиях электропередачи. На распределительных подстанциях напряжение понижается до 6–35 кВ, а затем до 0,4 кВ (380/220 В) для подачи потребителям.
• Промышленность: питание электродвигателей, электропечей, сварочных аппаратов, электролизных установок.
• Бытовая техника: блоки питания телевизоров, компьютеров, зарядные устройства для мобильных телефонов (импульсные трансформаторы малой мощности).
• Радиоэлектроника и связь: согласование импедансов, гальваническая развязка, фильтрация помех, преобразование напряжения в усилителях и приёмниках.
• Медицина: измерительные трансформаторы в диагностическом оборудовании, разделительные трансформаторы для безопасности пациентов.
• Железнодорожный транспорт: питание контактной сети и вспомогательных цепей электровозов и электропоездов.

Характеристики и параметры

Основные паспортные данные силового трансформатора:

• Номинальная мощность (кВА, МВА) — полная мощность, которую трансформатор может непрерывно передавать при номинальных условиях без превышения температуры.
• Номинальные напряжения (кВ) — напряжения первичной и вторичной обмоток на холостом ходу.
• Номинальные токи (А) — токи, соответствующие номинальной мощности.
• Напряжение короткого замыкания (\(U_k\), %) — напряжение, которое нужно подвести к одной обмотке при замкнутой накоротко другой, чтобы в ней установился номинальный ток. Характеризует внутреннее сопротивление трансформатора.
• Ток холостого хода (\(I_{xx}\), %) — ток, потребляемый первичной обмоткой при разомкнутой вторичной. Определяет потери в стали.
• Потери короткого замыкания (\(P_k\), кВт) — потери в обмотках (медные потери) при номинальном токе.
• Потери холостого хода (\(P_{xx}\), кВт) — потери в магнитопроводе (стальные потери) при номинальном напряжении.
• Коэффициент полезного действия (КПД) — отношение активной мощности на выходе к активной мощности на входе. Для мощных силовых трансформаторов КПД превышает 99 %.
• Группа соединения обмоток — определяет сдвиг фаз между линейными напряжениями первичной и вторичной обмоток (для трёхфазных трансформаторов).

Интересные факты

• Самый мощный в мире силовой трансформатор был изготовлен китайской компанией TBEA в 2018 году для линии электропередачи Чанцзи — Гучжоу (УВН 1100 кВ). Его мощность составляет 1,2 ГВА (1200 МВА).
• В 1920-х годах в СССР был разработан и внедрён метод горячей прокатки трансформаторной стали, что позволило значительно снизить потери в сердечниках. Позднее, в 1930-х годах, советский учёный В. В. Дружинин создал холоднокатаную текстурованную сталь, которая используется до сих пор.
• В бытовых импульсных блоках питания масса и габариты трансформатора в десятки раз меньше, чем у аналогичного по мощности трансформатора, работающего на частоте 50 Гц. Это достигается за счёт увеличения рабочей частоты до десятков и сотен килогерц.
• Трансформаторное масло (минеральное или синтетическое) не только охлаждает и изолирует, но и служит для гашения электрической дуги, возникающей при переключениях.

Источники

1. Касаткин А. С., Немцов М. В. Электротехника. — М.: Энергоатомиздат, 2007.
2. Тихомиров П. М. Расчёт трансформаторов. — М.: Энергия, 1976.
3. Вольдек А. И. Электрические машины. — Л.: Энергия, 1978.
4. ГОСТ 16110-82. Трансформаторы силовые. Термины и определения.
5. История электротехники / Под ред. И. А. Глебова. — М.: Издательство МЭИ, 1999.