Трансформатор: устройство и схема¶

Трансформатор — статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте. Устройство не имеет движущихся частей и работает на основе явления взаимной индукции. Основными элементами являются магнитопровод (сердечник) и две или более обмоток, связанных общим магнитным потоком.

¶Принцип действия

Работа трансформатора основана на законе электромагнитной индукции. Переменный ток, протекающий по первичной обмотке, создаёт в магнитопроводе переменный магнитный поток. Этот поток пронизывает витки вторичной обмотки и наводит в ней электродвижущую силу (ЭДС). Величина ЭДС пропорциональна числу витков и скорости изменения магнитного потока.

Отношение чисел витков обмоток определяет коэффициент трансформации:

• если вторичная обмотка имеет больше витков, чем первичная, трансформатор повышающий;
• если меньше — понижающий.

В идеальном трансформаторе мощность во вторичной цепи равна мощности в первичной, поэтому повышение напряжения сопровождается пропорциональным снижением тока, и наоборот.

¶Устройство и элементы схемы

Типовая схема трансформатора включает следующие компоненты:

Магнитопровод набирают из тонких изолированных пластин (шихтовка) либо выполняют ленточным, что снижает потери на вихревые токи. Обмотки выполняют из медного или алюминиевого провода.

¶Классификация

Трансформаторы различают по нескольким признакам.

По числу фаз: однофазные и трёхфазные. Трёхфазные применяются в промышленных сетях и на электростанциях.

По назначению:

• силовые — для передачи и распределения электроэнергии;
• измерительные — для включения приборов измерения (трансформаторы тока и напряжения);
• специальные — сварочные, печные, разделительные, импульсные.

По способу охлаждения: с воздушным (сухие) и масляным охлаждением. В масляных трансформаторах обмотки погружены в бак с трансформаторным маслом, которое отводит тепло и усиливает изоляцию.

По числу обмоток: двухобмоточные и многообмоточные. Существуют также автотрансформаторы, где обмотки электрически связаны и имеют общую часть.

¶Схемы соединения обмоток

В трёхфазных трансформаторах обмотки соединяют по схемам «звезда» (Y), «треугольник» (Δ) и «зигзаг» (Z). Группа соединений обозначается, например, Y/Δ или Y/Yн, где индекс указывает схему и наличие выведенной нейтрали. От группы соединений зависит сдвиг фаз между напряжениями первичной и вторичной сторон, что важно при параллельной работе трансформаторов.

¶Режимы работы

Различают несколько характерных режимов:

• режим холостого хода — вторичная цепь разомкнута, ток в первичной обмотке мал и обусловлен потерями в стали;
• режим нагрузки — к вторичной обмотке подключён потребитель, во вторичной цепи протекает ток;
• режим короткого замыкания — вторичная обмотка замкнута, токи резко возрастают; это аварийный режим, для защиты от которого применяют предохранители и релейную защиту.

¶Потери и КПД

Часть энергии теряется в виде тепла. Потери делятся на:

• магнитные (в стали) — на гистерезис и вихревые токи, зависят от материала и частоты;
• электрические (в меди) — на нагрев обмоток, пропорциональны квадрату тока.

Коэффициент полезного действия современных силовых трансформаторов достигает 98–99 %. Наибольший КПД достигается при нагрузке, близкой к номинальной.

¶Применение

Трансформаторы — ключевой элемент систем передачи электроэнергии. Повышающие трансформаторы на электростанциях увеличивают напряжение до сотен киловольт, что снижает потери в линиях электропередачи. Понижающие трансформаторы на подстанциях и в бытовых сетях снижают напряжение до безопасных значений (например, 220 В).

Устройства применяются также в источниках питания бытовой техники, зарядных устройствах, сварочных аппаратах, системах измерения и автоматики. Разделительные трансформаторы обеспечивают гальваническую развязку и повышают электробезопасность.

¶История

Явление взаимной индукции исследовали Майкл Фарадей и Джозеф Генри в 1830-х годах. Первый практически пригодный трансформатор с разомкнутым сердечником построили в 1876 году Павел Яблочков и Иван Усагин, использовавшие его для питания электрических свечей. В 1885 году венгерские инженеры Отто Блати, Микша Дери и Карой Циперновский запатентовали конструкцию с замкнутым магнитопроводом, близкую к современной. В России значительный вклад в теорию и расчёт трансформаторов внёс Михаил Миткевич.

¶Особенности эксплуатации

Трансформаторы требуют контроля температуры, уровня масла и состояния изоляции. Для мощных устройств предусматривают системы охлаждения: естественное, принудительное воздушное, масляное с циркуляцией. Измерительные трансформаторы позволяют безопасно измерять большие токи и высокие напряжения, отделяя измерительные цепи от силовых.

Источники: учебники по электротехнике и теории электрических машин, технические справочники по силовым трансформаторам, материалы по истории электротехники.