Принцип работы трансформатора основан на законе электромагнитной индукции. В первичной обмотке под действием напряжения в сердечнике наводится магнитный поток, пропорциональный этому напряжению, который, в свою очередь, наводит ЭДС самоиндукции во вторичных обмотках. ЭДС, наводимая во вторичных обмотках, прямо пропорциональна количеству витков этих обмоток. Силовой трансформатор служит для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения с преобразованием мощности и при неизменной частоте.

Изобретателем трансформатора был русский ученый П. Н. Яблочков. В 1876 г. Яблочков использовал индукционную катушку с двумя обмотками в качестве трансформатора для питания электрических свечей (ламп накаливания). Трансформатор Яблочкова имел незамкнутый сердечник. Трансформаторы с замкнутым сердечником (применяемые в настоящее время) появились примерно в 1884 г. С изобретением трансформатора возник технический интерес к переменному току, который до этого широко не применялся. Русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский (1862—1919 г.) в 1889 г. предложил трехфазную систему переменного тока, построил первый трехфазный асинхронный двигатель и первый трехфазный трансформатор. На электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891 г. Доливо-Добровольский демонстрировал опытную высоковольтную электропередачу трехфазного тока протяженностью 175 км; трехфазный генератор имел мощность 230 кВт при напряжении 95 В. В дальнейшем, в качестве силовых, начали применять масляные трансформаторы, т. к. было установлено, что масло является не только хорошей изоляцией, но и хорошей охлаждающей средой.

Трансформаторы применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, распределении ее между приемниками энергии, а также в выпрямительных, усилительных и других устройствах, где требуется развязка электрических цепей.

"Золотой век" намоточных трансформаторов, применяемых в радиолюбительских конструкциях, да и в промышленной аппаратуре, кажется, уже прошел. Сегодня наиболее популярны понижающие двух- и многообмоточные трансформаторы, применяемые в источниках питания, и импульсные трансформаторы (для импульсных источников питания). Для преобразования, передачи электрической энергии в низковольтных устройствах популярны оптоэлектронные трансформаторы на основе оптопар. Они обеспечивают гальваническую развязку электрических цепей и значительно эффективнее намоточных трансформаторов с магнитной индукцией. Тем не менее некоторые области применения трансформаторов в классическом виде остаются. Это область мощных трансформаторов для силовых цепей. Намоточные трансформаторы в широком ассортименте продаются в магазинах, выпускаются промышленностью, а это значит, что разбираться в их особенностях необходимо и сегодня. Этому посвящен настоящий раздел, в котором читатель узнает как общие сведения о трансформаторах, так и том, как правильно классифицировать и читать их обозначения (принимать решения о применении того или иного прибора в конкретном устройстве или заменять его наиболее подходящим по электрическим характеристикам).

Индукционные трансформаторы

Индукционный трансформатор (далее трансформатор) — статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Силовые трансформаторы

Силовой трансформатор — трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и установках, предназначенных для приема и использования электрической энергии. К силовым трансформаторам относятся трансформаторы трехфазные и многофазные мощностью до 6,3 кВт и более, однофазные мощностью 5 кВт и более. Силовые трансформаторы можно увидеть невооруженным глазом недалеко от вашего дома в ближайшей "трансформаторной" будке или электрической подстанции. Также силовые трансформаторы установлены вдоль железнодорожного полотна, по которому курсируют поезда на электротяге.

Повышающий трансформатор

Повышающий трансформатор — трансформатор, у которого первичной обмоткой является обмотка, имеющая более низкое напряжение.

Понижающий трансформатор

Понижающий трансформатор — трансформатор, у которого первичной обмоткой является обмотка с более высоким напряжением.

Сигнальный (согласующий) трансформатор

Сигнальный трансформатор (согласующий) — трансформатор малой мощности, предназначенный для передачи и преобразования электрических сигналов.

Автотрансформатор— трансформатор, две или более обмотки которого гальванически связаны так, что имеют общую точку.

Импульсный сигнальный трансформатор

Импульсный сигнальный трансформатор — это сигнальный трансформатор, предназначенный для передачи, формирования, преобразования и запоминания импульсных сигналов.

Коэффициент трансформации трансформатора малой мощности — отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки.

Магнитная индукция — это векторная величина, характеризующая магнитное поле и определяющая силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

Индуктивная связ ь— связь электрических цепей посредством магнитного поля.

Трансформаторы классифицируют по признаку функционального назначения:

• трансформаторы питания;
• трансформаторы согласования.

Трансформаторы питания в свою очередь классифицируют:

по напряжению:

• низковольтные;
• высоковольтные;
• высокопотенциальные;

в зависимости от числа фаз преобразуемого напряжения:

• однофазные;
• трехфазные;

в зависимости от числа обмоток:

• двухобмоточные;
• многообмоточные;

в зависимости от конфигурации магнитопровода:

• стержневые;
• броневые;
• тороидальные;

в зависимости от мощности трансформатора:

• малой мощности;
• средней мощности;
• большой мощности;

в зависимости от способа изготовления магнитопровода:

• пластинчатые;
• ленточные;

зависимости от коэффициента трансформации:

• повышающие;
• понижающие;

в зависимости от вида связи между обмотками:

• с электромагнитной связью (с изолированными обмотками);
• с электромагнитной и электрической связью (со связанными обмотками);

в зависимости от конструкции обмотки:

• катушечные;
• галетные;
• тороидальные;

в зависимости от конструкции всего трансформатора:

• открытые;
• капсулированные;
• закрытые;

в зависимости от назначения:

• выпрямительные;
• накальные;
• анодно-накальные;

в зависимости от рабочей частоты:

• пониженной частоты (менее 50 Гц);
• промышленной частоты (50 Гц);
• повышенной промышленной частоты (400, 1000, 2000 Гц). Об этом подробнее в главе 5;
• повышенной частоты (до 10 000 Гц);
• высокой частоты.

Конструктивные особенности трансформаторов

Основными частями трансформатора являются магнитопровод и катушка с обмотками.

Материалом для магнитопровода трансформаторов служит листовая электротехническая сталь различных марок и толщины, горячей прокатки и холоднокатаная. От содержания кремния, количество которого отражено в марке стали, а также от толщины листа зависят потери мощности в магнитопроводе от вихревых токов. Толщину листа применяемой стали выбирают в зависимости от частоты сети, питающей трансформатор: с увеличением частоты толщину листа надо уменьшать. Ленточные (витые) магнитопроводы изготавливают из лент рулонной стали; предварительно лента покрывается изолирующим и склеивающим составом.

Литература: Андрей Кашкаров - Электронные самоделки

Трансформаторы тока

Чтобы понять, чем отличается трансформатор тока от трансформатора напряжения, необходимо знать особенности первого и второго устройства. Трансформаторы тока созданы - в первую очередь - как измерительные или же защитные приборы.

• Защитные трансформаторы

Основную функцию данных трансформаторов легко понять. Они строго «следят» за тем, чтобы каждый, кто залез в электрическую сеть, не получил смертельный удар. Отличительной особенностью является строгое контролирование. В самой электрической системе для комфортной работы приборов поддерживается очень высокое напряжение. Однако любая техника рано или поздно может дать сбой, поэтому обязательно нужно оставить окно, через которое специалисты-ремонтники смогут проверять состояние сети, проводить профилактические работы. Происходит это за счет трансформатора тока, который в определенном месте дает максимально безопасный доступ.

• Измерительные трансформаторы

Измерительные трансформаторы представляют собой особые приборы. Основная их задача - преобразовывать переменный ток, в итоге получается такой же переменный, но уже с допустимыми для измерения значениями. С помощью данного устройства можно подключить к цепи вольтметр, амперметр или любой другой измерительный прибор.

Также имеется дополнительная функция - возможность подключить любую технику, не испортив ее, а также получить максимально точный и правильный результат измерений (иногда даже десятые доли могут радикально изменить картину).

Независимо от конкретного типа основная особенность трансформатора тока заключается в особой точности, а также в возможности образовывать некоторую необходимую безопасную изоляцию.

Трансформаторы напряжения

Трансформаторы тока и напряжения имеют разное предназначение.

Вторые созданы для изменения напряжения с высокого на низкое и наоборот. Это отличный способ «подогнать» определенную электрическую сеть под нужный стандарт.

Подобные трансформаторы позволяют достичь необходимого уровня безопасности, предотвратить огромное количество чрезвычайных происшествий, спасти жизни и здоровье людей, а также оставить огромное количество приборов исправными.

Мало кто знает, что трансформаторы напряжения присутствуют практически в каждом приборе для того, чтобы защитить его от внезапного повышения напряжения, например, при ударе молнии или же в случае нарушения правил эксплуатации.

Основное отличие

Основное отличие этих двух трансформаторов (напряжения и тока) заключается именно в их предназначении и функциях, которые они надежно выполняют.

Основная задача устройства для тока состоит в защите или в обеспечении точности, которая просто необходима для различных измерений или же любого обслуживания электрических сетей как в конкретном месте, так и в комплексе.

Назначение же трансформатора напряжения связано не с проверками и измерениями и даже не с ремонтом и профилактикой, а непосредственно с эксплуатацией. Невозможно запустить сеть без данного аппарата. Обязательно нужно преобразовывать напряжение с пониженного на повышенное. Именно с помощью подобных трансформаторов можно использовать везде универсальную электрическую сеть, ток в которой изменяется данным аппаратом и подходит под любую технику, будь то бытовые приборы или же устройства промышленного назначения.

Также стоит отдельно отметить опасность каждого трансформатора. Угрожает безопасности отсутствие или неработоспособность устройства, регулирующего напряжение: если неожиданно единица измерения повысится в большую сторону, то могут быть очень серьезные последствия, которые чреваты разнообразными трагедиями - от пожаров до других бедствий. Также отсутствие изоляции угрожает ремонтникам, а отсутствие точных измерений может нарушить работу; но слишком серьезных последствий практически невозможно добиться.

Предназначение в электрической сети

Присутствие и одного, и другого трансформатора в электрической сети незаменимо. Трансформатор напряжения встречается практически везде. Он может быть встроен в каждый бытовой прибор. Обязательно находится в общедомовой сети, не говоря уже о более серьезных промышленных объектах. Отличительной особенностью работы трансформатора тока является то, что он не нужен на каждом мелком объекте, он подходит для достаточно крупных предприятий, куда подводится сеть очень большой мощности. Настолько большой, что необходима дополнительная изоляция даже для того, чтобы просто измерить все величины.

Не стоит путать эти трансформаторы, это может иметь очень печальные последствия. Нужно грамотно разбираться в данной технике для того, чтобы устанавливать и ремонтировать ее, правильно пользоваться и знать все опасности.

Инженерный центр "ПрофЭнергия" имеет все необходимые инструменты для качественного проведения диагностики трансформаторов, слаженный коллектив профессионалов и лицензии, которые дают право осуществлять все необходимые испытания и замеры. Оставив выбор на электролаборатории "ПрофЭнергия" вы выбираете надежную и качествунную работу своего оборудования!

Трансформаторы тока и напряжения

Для удобства измерения тока в установках высокого напряжения и для изоляции измерительных приборов и устройств релейной защиты от высокого напряжения служат трансформаторы тока (ТТ). ТТ имеет замкнутый магнитопровод с двумя обмотками. Через первичную обмотку пропускается измеряемый ток, вторичная подключается к измерительным приборам или реле. Первичная обмотка изолирована от вторичной в соответствии с классом изоляции аппарата. Один вывод вторичной обмотки обязательно заземляется.

Основными параметрами ТТ являются:

Номинальное напряжение - это линейное напряжение энергосистемы, в которой ТТ должен работать, которое определяет изоляцию между первичной обмоткой, находящейся под высоким потенциалом, и вторичной обмоткой, один конец которой заземляется.

Номинальный первичный и вторичный токи - это длительные токи, которые аппарат может пропускать. ТТ обычно имеют запас по нагреву и позволяют длительно пропускать токи, которые примерно на 20 % выше номинального значения. Номинальный вторичный ток ТТ равен 1 или 5 А.

Номинальный коэффициент трансформации - это отношение номинальных значений первичного и вторичного токов:

. (21.1)

Действительный коэффициент трансформации не равен номинальному вследствие погрешности, вызываемой потерями в трансформаторе. Различают токовую погрешность и угловую.

Токовая погрешность в процентах определяется выражением:

(21.2)

где - вторичный ток; - первичный приведенный ток.

В соответствии с ГОСТ 7746-78 приняты следующие условные положительные направления токов: первичного тока - ток втекает в начало первичной обмотки, вторичного - ток вытекает из начала вторичной обмотки. Обе обмотки намотаны в одну сторону. При таком положительном направлении токов в ТТ без погрешностей векторы вторичного и первичного токов совпадают по фазе. В реальном ТТ между векторами и существует угол, который называется угловой погрешностью и измеряется в минутах. Если вторичный ток опережает первичный, то погрешность по углу положительная. Угловую погрешность необходимо учитывать при измерении активной мощности цепи ( - угол сдвига между током и напряжением), а также при измерениях энергии и в ряде релейных защит, работа которых зависит от угла .

Класс точности трансформатора определяется его погрешностью по току (в процентах) при первичном токе, равном

В зависимости от погрешности по ГОСТ 7746- 78 различают классы точности 0,2 ; 0,5 ; 1 ; 3 ; 5 ; 10 .

Наряду с токовой и угловой погрешностью ГОСТ 7746-78 предусмотрена полная погрешность ε, %, которая характеризует относительный намагничивающий ток:

(21.3)

где - действующее значение первичного тока;

Мгновенное значение вторичного тока;

Мгновенное значение первичного тока;

Т - период частоты переменного тока (0,02 с).

. (21.4)

Поскольку значение тока стандартизовано, то номинальное сопротивление нагрузки однозначно определяет номинальную мощность трансформатора.

Номинальная предельная кратность первичного тока по отношению к его номинальному значению, при которой полная погрешность достигает 5 или 10 %. Соответственно ТТ имеют класс точности 5Р и 10Р, при этом нагрузка и ее коэффициент мощности должны быть номинальными.

Максимальная кратность вторичного тока - это отношение наибольшего вторичного тока к его номинальному значению при номинальной вторичной нагрузке. Максимальная кратность вторичного тока определяется насыщением магнитопровода, когда дальнейшее возрастание первичного тока не ведет к возрастанию потока.

В аварийном режиме ТТ обтекаются током КЗ и их обмотки подвергаются воздействию больших токов.

Динамическая стойкость ТТ (кратность) – определяется отношением допустимого тока ударного КЗ к амплитуде номинального первичного тока.

Термическая стойкость ТТ (кратность) - задается отношением допустимого в течение 1 с тока КЗ к номинальному значению первичного тока.

Так как ток первичной обмотки задается сетью, то большим термическим и динамическим воздействиям подвергается первичная обмотка. Вторичный ток часто ограничивается насыщением магнитопровода, и поэтому вторичная обмотка работает в облегченных условиях.

Различают одно- и многовитковые трансформаторы тока. В одновитковом ТТ первичная обмотка может быть выполнена в виде стержня, шины или пакета шин. Примером такого исполнения является трансформатор типа ТПOЛ-I0 с номинальным напряжением 10 кВ (рис. 21.1), который используется, как проходной изолятор при переходе линии из одного помещения в другое.

Первичная обмотка-стержень 4, магнитопроводы 1, крепежное кольцо 3 устанавливаются в специальную форму и заливаются жидкой смесью эпоксидной смолы, пылевидного кварцевого песка и отвердителя. После затвердения и полимеризации эта смесь приобретает высокие электрические и механические свойства.

Магнитопроводы трансформатора выполняются в виде двух тороидальных сердечников 1, навитых лентой из текстурованного материала, например марки 3413. Если вторичная обмотка 2 равномерно распределена на тороидальном магнитопроводе, то ее индуктивное сопротивление X 2 схеме замещения равно нулю, что позволяет снизить погрешность измерения ТТ. Конструкция допускает установку нескольких ТТ с разными параметрами на одной стержневой первичной обмотке.

Рис. 21.1. Oднoвиткoвый ТТ типа ТПOЛ-10

Oдновитковые ТТ могут быть встроенными. В этом случае используются токоведущий стержень и изолятор другого аппарата или оборудования (выключателя, силового изолятора, проходного изолятора и др.).

Применение встроенных ТТ дает большой экономический эффект. На проходном изоляторе встроенных ТТ, как правило, устанавливается несколько ТТ, вторичные обмотки которых можно соединять последовательно или параллельно. При последовательном соединении вторичных обмоток коэффициент трансформации не изменяется, так как удваивается число первичных и вторичных витков.

Вторичный ток сохраняется неизменным, а вторичная ЭДС удваивается, что позволяет увеличить в 2 раза вторичную мощность. Для встроенных ТТ это очень важно, так как они удалены от реле и измерительных приборов, благодаря чему сопротивление соединяющих проводов получается большим. При параллельном соединении вторичных обмоток коэффициент трансформации уменьшается, так как первичные обмотки включаются последовательно. При этом вторичный ток двух ТТ увеличивается. Это даёт возможность получить вторичный ток, приближающийся к стандартному значению 5 А, например при первичном токе

Вторичные обмотки имеют отводы, которые позволяют в небольшом диапазоне регулировать коэффициент трансформации.

При малых первичных токах (ниже 400 А) для получения высокого класса точности применяются многовитковые ТТ. При любом значении первичного тока необходимая для данного класса точности первичная МДС получается за счет увеличения числа витков первичной обмотки W 1 . На рис. 21.2 показан многовитковый трансформатор тока на напряжение 10 кВ.

Рис. 21.2. Мнoгoвиткoвый ТТ

На прямоугольном шихтованном магнитопроводе 1 расположена вторичная обмотка 2. Первичная обмотка 3 выполняется из медной шины. Первичная обмотка выведена на контакты 5, вторичная - на контакты 6. Все детали ТТ залиты эпоксидным компаундом 4.

При КЗ на витки первичной обмотки действуют разрывающие электродинамические силы, что снижает стойкость ТТ. Кроме того, на первичной обмотке из-за ее относительно большой индуктивности может появиться значительное падение напряжения. Это является недостатком данной конструкции ТТ.

При напряжении 35 кВ и выше для открытых установок применяются ТТ с масляной изоляцией. Наиболее распространены ТТ так называемого звеньевого типа (рис. 21.3). Три тороидальных магнитопровода 1 со вторичными обмотками 2 охвачены первичной обмоткой 4, выполняемой мягким многожильным проводом, которая обычно имеет несколько параллельных ветвей (на рис. 21.3 две ветви).

При переходе с параллельного соединения на последовательное первичный номинальный ток трансформатора уменьшается в 2 раза.

Первичная и вторичная обмотки изолируются кабельной бумагой 5 толщиной 0,12 мм. После наложения изоляции магнитопровод с обмотками крепится к основанию ТТ с помощью лап 3.

К этому же основанию крепится фарфоровый кожух, который защищает обмотки от воздействия окружающей среды. Внутренняя полость ТТ после вакуумной сушки заполняется трансформаторным маслом. Масло пропитывает кабельную бумагу и заполняет все пустоты. Такие ТТ выполняются на напряжение до 220 кВ. Общий вид ТТ типа ТФН-35 на напряжение 35 кВ представлен на рис. 21.4.

Рис. 21.3. ТТ звеньевого типа

На рис. 21.4: 1 - вывод ветвей первичной обмотки; 2- вывод первичной обмотки; 3 – магнитопровод; 4 - вторичная обмотка; 5 - изоляция из кабельной бумаги; 6 – фарфоровая покрышка; 7 - трансформаторное масло.

При напряжении свыше 220 кВ применяют каскадные ТТ. На рис. 21.5,б показан двухступенчатый каскадный ТТ на напряжение 500 кВ. Схема включения его обмоток показана на рис. 21.5,а.

Общая компоновка ТТ показана на рис. 21.5,б. Каждая ступень представляет собой ТТ на напряжение аналогичный показанному на рис. 21.3. Вторичная обмотка первой ступени питает первичную обмотку второй ступени. При перевозке каждая ступень, залитая маслом, доставляется к месту установки отдельно. Стоимость двухступенчатого трансформатора примерно в 2 раза меньше, чем одноступенчатого. Недостатком каскадного ТТ является увеличение погрешности из-за увеличения сопротивления обмоток.

Рис. 21.4. Трансформатор тока типа ТФН – 35

Трансформаторы напряжения (ТН) служат для преобразования высокого напряжения в низкое стандартное напряжение, удобное для измерения. Обычно за номинальное вторичное напряжение принимается напряжение или

Первичная обмотка ТН изолируется от вторичной соответственно классу напряжения установки. Для безопасности обслуживания один вывод вторичной обмотки заземляется. Таким образом, ТН изолирует измерительные приборы и реле от цепи высокого напряжения и делает безопасным их обслуживание.

Рис. 21.5. Двухступенчатый каскадный ТТ:

а - принципиальная схема; б - общая компоновка;

W 1 - первичная обмотка верхней ступени;

W 2 - вторичная обмотка верхней ступени;

W 3 - первичная обмотка нижней ступени;

W 4 , W 5 - вторичные обмотки нижней ступени;

Схема включения однофазного ТН показана на рис. 21.6.

Первичная обмотка присоединена к цепи высокого напряжения через предохранители FU1, FU2. Вторичная обмотка питает нагрузку в виде обмоток измерительных приборов или реле защиты через предохранители FU3, FU4. В нормальной конструкции заземляются и вторичная обмотка , и магнитопровод.

Предохранители FU3, FU4 служат для защиты ТН от КЗ в цепи нагрузки.

Рис. 21.6. Схема включения однофазного ТН

Предохранители FU1, FU2 на высоковольтной стороне служат для защиты сети от КЗ в ТН. Целесообразно применение токоограничивающих предохранителей типа ПКТ или стреляющих с ограничивающим резистором. Вследствие высокого сопротивления обмоток самого ТН при КЗ во вторичной цепи ток в первичной цепи мал (порядка нескольких ампер) и недостаточен для срабатывания предохранителей FU1, FU2. Этим объясняется установка предохранителей FU3, FU4 во вторичной цепи. Основными параметрами ТН являются:

- номинальное напряжение первичной и вторичной обмоток, указанное на щитке. Номинальное напряжение ТН равно номинальному напряжению первичной обмотки;

- номинальный коэффициент трансформации - это отношение номинального первичного напряжения к номинальному вторичному:

; (21.5)

- погрешность по напряжению , %, определяется уравнением

(21.6)

где - напряжение, поданное на первичную обмотку; - напряжение, измеренное на выводax вторичной обмотки.

При погрешность

Погрешности ТН не должны превышать значений, предусмотренных классом точности при колебании напряжения в пределах и колебаний мощности вторичной цепи в пределах от номинальной.

а вторичная мощность

При уменьшении сопротивления вторичная мощность увеличивается. Вторичная нагрузка кроме модуля характеризуется также коэффициентом мощности ;

- номинальная мощность ТН представляет собой наибольшее значение вторичной мощности при при которой погрешность ТН не выходит за пределы, oопределенные классом точности. Требования к ТН определяются ГОСТ 1983-77.

Погрешность ТН обусловлена наличием aктивных и peaктивных сопротивлений обмоток и тока холостого хода. Схема замещения ТН дана на рис. 21.7, а векторная диаграмма - на рис. 21.8.