Как работает трансформатор на нагрузку

Большинство электрических бытовых устройств работает от сети питания 220 В. Иногда необходимо понизить это напряжение до определенного значения, чтобы подключить низковольтные потребители нагрузки. Такими потребителями могут быть галогенные светильники, низковольтные нагреватели, светодиодные ленты и множество других.

Такое снижение напряжение могут выполнить понижающие трансформаторы, которые приобретают в магазине, или изготавливают самостоятельно. Такие трансформаторы популярны в электротехнике и радиоэлектронике, а также в бытовых условиях.

Особенности конструкции

Основной частью трансформатора выступает ферромагнитный сердечник, на котором расположены две обмотки, намотанные медным проводником. Эти обмотки разделяют на первичную и вторичную, в зависимости от принципа действия. На первичную обмотку подается сетевое напряжение, а с вторичной – снимается пониженное напряжение для потребителей нагрузки.

Обмотки связаны между собой переменным магнитным потоком, который наводится в ферромагнитном сердечнике. Между обмотками нет электрического контакта. Первичная обмотка имеет большее количество витков, чем вторичная. Поэтому напряжение на выходе понижено.

Обычно понижающие трансформаторы со всеми элементами находятся в корпусе. Однако не все модели его имеют. Это зависит от фирмы изготовителя, а также назначения понижающего трансформатора.

Обозначение на схеме

Принцип действия

Работу понижающего трансформатора можно описать следующим образом. Действие трансформатора основывается на принципе электромагнитной индукции. Напряжение, подключенное на первичную обмотку, образует в ней магнитное поле, которое пересекает витки вторичной обмотки. В ней образуется электродвижущая сила, под действием которой возникает напряжение, отличное от входного напряжения.

Разница в количестве витков первичной и вторичной обмоток определяет разницу между входным и выходным напряжением понижающего трансформатора. В процессе функционирования трансформатора возникают некоторые потери электроэнергии, которые неизбежны, и составляют около 3% мощности.

Чтобы вычислить точные величины параметров трансформатора, нужно сделать определенные расчеты его конструкции. Электродвижущая сила может возникать при подключении трансформатора только к переменному току. Поэтому большинство бытовых электрических устройств работает от сети переменного тока.

Понижающие трансформаторы входят в состав многих блоков питания, стабилизаторов и других подобных устройств. Некоторые модели трансформаторов могут содержать несколько выводов на вторичной обмотке для разных групп соединений. Такие виды приборов стали популярными, так как являются универсальными, и обладают многофункциональностью.

Разновидности

Понижающие трансформаторы имеют различные исполнения, в зависимости от конструкции и принципа действия:

• Тороидальные . Такой вариант модели трансформатора (рисунок «а») также применяется для незначительных мощностей, имеет сердечник формы в виде тора. Он отличается от других моделей малым весом и габаритами. Применяется в радиоэлектронных устройствах. Его конструкция позволяет достичь более высокой плотности тока, так как обмотка хорошо охлаждается на всем сердечнике, показатели тока намагничивания самые низкие.
• Стержневые . На рисунке «б» изображен стержневой вид трансформатора, в конструкции которого обмотки охватывают сердечники магнитопровода. Такие модели чаще всего выполняют для средней и большой мощности приборов. Их устройство довольно простое и дает возможность легче изолировать и ремонтировать обмотки. Их преимуществом является хорошее охлаждение, вследствие чего требуется меньше проводников для обмоток.
• Броневые . В этом виде трансформатора (рисунок «в») магнитопровод охватывает обмотки в виде брони. Остальные параметры идентичны стержневому виду, за исключением того, что броневые трансформаторы в основном выполняют маломощными, так как они имеют меньший вес и цену в сравнении с предыдущим вариантом, из-за простой сборки и меньшего количества катушек.
• Многообмоточные . Наиболее популярными являются двухобмоточные 1-фазные понижающие трансформаторы.

Для получения нескольких различных величин напряжений от одного трансформатора применяют несколько вторичных обмоток на сердечнике. Эти обмотки разные по числу витков и выдаваемому напряжению.

• Трехфазные . Такая модель применяется для понижения напряжения трехфазной сети. Такие понижающие трансформаторы применяются не только в промышленности, но и для бытовых нужд.

Они могут быть изготовлены из 3-х однофазных трансформаторов на общем сердечнике. Магнитные потоки всех фаз в сумме равны нулю. Промышленные образцы проходят испытания по определенным параметрам. Результаты испытаний сравнивают с документацией. Если нет соответствия, то трансформатор подлежит выбраковке. 3-фазный трансформатор имеет соединение обмоток по схеме треугольника или звезды. Схема звезды характерна общим узлом выводов всех фаз. Соединение треугольником выполняется последовательной схемой фаз в кольцо.

• Однофазные . Такие трансформаторы имеют подключение питания от однофазной сети, фаза и ноль поступают на одну первичную обмотку. Принцип их работы аналогичен всем остальным видам трансформаторов. Это наиболее популярный вид устройств.

Основные свойства

Маркировка трансформаторов зависит от его свойств. Основными свойствами понижающих трансформаторов являются:

• Мощность.
• Напряжение выхода.
• Частота.
• Габаритные размеры.
• Масса.

Частота тока для разных моделей трансформаторов будет одинаковой, в отличие от других перечисленных характеристик. Габаритные размеры и масса будут больше при повышении мощности модели. Максимальная величина мощности у промышленных образцов понижающих трансформаторов, так же как габаритные размеры и масса.

Напряжение на выходе вторичных обмоток может быть различным, и зависит от назначения прибора. Модели трансформаторов для бытовых нужд имеют малые габариты и вес. Их легко устанавливать и перевозить.

Обмотки трансформатора

Обмотки находятся на магнитопроводе прибора. Ближе к сердечнику располагают низковольтную обмотку, так как ее легче изолировать. Между обмотками укладывают изоляционные прокладки и другие диэлектрики, например электротехнический картон.

Первичная обмотка соединяется с сетью питания переменного напряжения. Вторичная обмотка выдает низкое напряжение и подключается к потребителям электроэнергии. К одному трансформатору можно подключать сразу несколько бытовых устройств.

Для намотки катушек применяют изолированные провода, с изоляцией каждого слоя кабельной бумагой. Проводники бывают различных форм сечения:

• Круглая.
• Прямоугольная (шина).

По способу намотки обмотки делят:

• Концентрические, на стержне.
• Дисковые, намотанные чередованием.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Применение понижающих трансформаторов, как в промышленности, так и в домашних условиях можно объяснить необходимостью уменьшения рабочего напряжения до 12 вольт для создания безопасности человека.
• Другой причиной применения низкого напряжения является нетребовательность трансформаторов к значению входного напряжения, так как они могут функционировать, например, при 110 В, при этом обеспечивая стабильное напряжение на выходе.
• Компактные размеры.
• Малая масса.
• Удобство транспортировки и монтажа.
• Отсутствие помех.
• Плавная регулировка напряжения.
• Незначительный нагрев.

Недостатки

• Недолгий срок службы.
• Незначительная мощность.
• Высокая цена.

Как выбрать понижающие трансформаторы

При выборе конкретного устройства, рекомендуется воспользоваться следующими критериями выбора:

• Величина напряжения на входе. На корпусе устройства обычно есть маркировка входного напряжения 220, либо 380 вольт. Для бытовой сети подходит модель на 220 В.
• Величина напряжения выхода. Зависит от назначения и применения устройства. Обычно это 12 или 36 вольт, о чем также должна быть маркировка.
• Мощность устройства. Чтобы правильно подобрать стабилизатор по мощности, нужно сложить мощности всех планируемых к подключению потребителей, и добавить резервное значение 20%.

Эксплуатация и ремонт

Основным условием правильной и надежной эксплуатации понижающего трансформатора является специально оборудованное место для его монтажа и функционирования.

Понижающие трансформаторы необходимо содержать в чистоте, сухом виде, защищать от пыли и влаги. В домашних бытовых условиях для трансформатора используют специальный шкаф или металлический корпус. Заземление для понижающего трансформатора является обязательным условием.

Трансформатор требует периодического обслуживания и ухода, в зависимости от выполняемых им задач и условий эксплуатации.

Чаще всего обслуживание включает в себя следующие работы:

• Наружный осмотр, очистка от пыли и грязи.
• Осмотр деталей уплотнения, колец, прокладок, подтяжка клемм.
• Проверка изоляции на пробой.

В трансформаторе могут появиться неисправности и повреждения обмоток в виде трещин секций катушек. При этом не требуется демонтировать трансформатор. На поврежденную изоляцию накладывают лакоткань. При серьезных неисправностях, связанных с обрывом или коротким замыканием, осуществляют снятие трансформатора и его ремонт в электромастерской.

Транспортировка электрической энергии на большие расстояния неизбежно приводит к определенным потерям. Для того чтобы снизить потери, в системе передачи применяется свойство трансформации. С этой целью электрический ток проходит через трансформаторную подстанцию, с помощью которой осуществляется повышение амплитуды напряжения, подаваемого в ЛЭП для дальнейшей транспортировки.

Конечная точка ЛЭП подключается к вводу удаленной подстанции. Здесь выполняется снижение напряжения, после чего электричество распределяется среди потребителей. На обеих подстанциях установлены силовые трансформаторы, устройство и принцип действия которых позволяет преобразовывать электроэнергию большой мощности. Они отличаются особенностями устройства и техническими характеристиками.

Основные детали и системы силового трансформатора

Металлический корпус предназначен для размещения внутри него электрического оборудования трансформатора. Он представляет собой герметичный бак с крышкой, заполненный трансформаторным маслом. Такой сорт масла имеет высокие диэлектрические качества, с его помощью отводится тепло от деталей, подверженных значительным токовым нагрузкам.

Охлаждение трансформатора осуществляется с помощью гидравлической системы. Залив и слив масла производится с использованием задвижек и вкручивающихся пробок. Отбор масла для химического анализа производится через запорный вентиль, расположенный в нижней части бака.

Циркуляция масла в силовом трансформаторе происходит по двум контурам – внешнему и внутреннему. В состав внешнего контура входит радиатор, состоящий из верхнего и нижнего коллекторов, соединенных между собой металлическими трубками. Нагретое масло проходит через магистрали охладителя, остывает и вновь поступает в бак. Внутри бака масло может циркулировать естественным путем или принудительно под действием давления, создаваемого насосами. Теплообмен значительно улучшается за счет специальных гофр, устанавливаемых на поверхности бака.

Важнейшим элементом силового трансформатора является его электрическая схема. Все ее элементы размещаются внутри корпуса. Верхняя и нижняя балки составляют остов, на котором крепятся все остальные детали. В состав схемы входит магнитопровод, обмотки высокого и низкого напряжения, высоковольтные и низковольтные отводы, регулировочные ответвления обмоток. В нижней части располагаются вводы высокого и низкого напряжения.

Основной функцией магнитопровода является снижение потерь магнитного потока, проходящего через обмотки. Для его изготовления используется специальные сорта электротехнической стали. Ток нагрузки протекает через обмотки фаз. Изоляция витков выполняется специальными сортами хлопчатобумажной ткани или кабельной бумаги. Механическая и электрическая прочность обмоточной изоляции повышается за счет пропитки поверхностей специальным лаком. Подключение обмоток может выполняться по схеме «звезда», «треугольник» или «зигзаг». Для маркировки концов каждой обмотки используются латинские символы.

Принцип действия и режимы работы

Силовые трансформаторы действуют по такому же принципу, как и обычные трансформаторные устройства. Во входную обмотку поступает электрический ток, колебания которого изменяются по времени. Это приводит к наведению в магнитопроводе изменяющегося магнитного поля. Далее изменяющийся магнитный поток проходит через витки второй обмотки, после чего в ней возникает электродвижущая сила.

Во время проверок и в процессе эксплуатации работа трансформатора может происходить в различных режимах:

• Рабочий режим. В этом случае источник напряжения подключается к первичной обмотке, а нагрузка – к вторичной. Величина тока в каждой обмотке должна быть не более допустимого расчетного значения. В данном режиме обеспечивается устойчивое и надежное питание потребителей в течение длительного времени. В рабочем режиме может создаваться холостой ход и короткое замыкание с целью проверки характеристик трансформаторного устройства.
• Холостой ход. Создается путем размыкания вторичной цепи, чтобы исключить протекание по ней тока. Данный режим позволяет определить коэффициент полезного действия, коэффициент трансформации, потери в стальных деталях, затраченные для намагничивания сердечника.
• Режим короткого замыкания. В этом случае накоротко шунтируются выводы вторичной обмотки. На входе трансформатора напряжение оказывается заниженным до значения, при котором создается вторичный номинальный ток с постоянным значением. Данный способ позволяет установить потери в меди.
• Аварийный режим. К нему относятся любые нарушения работы трансформатора, вызывающие отклонение рабочих показателей за пределы допустимого значения. Особую опасность представляет короткое замыкание, возникающее внутри обмоток. Для предотвращения последствий аварийного режима в силовых трансформаторах устанавливаются автоматические средства защиты и сигнализации. Они поддерживают нормальную работу первичной схемы и полностью отключают ее в случае неисправностей и аварийных ситуаций.

Защита силовых трансформаторов

В первую очередь необходимо постоянно контролировать уровень масла, циркулирующего внутри бака. На его температуру оказывает влияние целый комплекс различных факторов. В связи с этим происходит постоянное изменение объема и главной задачей становится поддержание уровня масла в установленных границах. Важную роль в этом играет использование расширительного бачка, компенсирующего все объемные отклонения. Кроме того, он позволяет вести наблюдения за текущим уровнем масла.

Данные о состоянии уровня снимаются с помощью маслоуказателя, подключаемого параллельно с расширительным бачком.

Силовые трансформаторы должны быть защищены от проникновения влаги, поскольку расширительный бак своей верхней частью плотно контактирует с окружающей средой. С этой целью устанавливается осушитель воздуха, создающий препятствия попаданию влаги в масло, что существенно снижает его диэлектрические свойства.

Важной составляющей масляной системы считается газовое реле, защищающее трансформатор от внутренних повреждений. Оно монтируется внутри трубопровода, который соединяет между собой основной и расширительный баки. Во время нагрева масло и органическая изоляция выделяют газы, попадающие в емкость газового реле, содержащую внутри чувствительный элемент.

В некоторых случаях может возникнуть аварийное повышение давления внутри бака. В целях защиты на крышке трансформатора выполняется монтаж выхлопной трубы. Ее нижний конец должен сообщаться с емкостью бака, а масло – поступать внутрь до необходимого уровня в расширителе. Над расширителем возвышается верхняя часть трубы, которая отводится в сторону и незначительно загибается вниз. Ее конец герметично закрывает стеклянная предохранительная мембрана, разрушающаяся в случае аварийного повышения давления.

Силовые трансформаторы, имеющие обмотку высокого напряжения свыше 1000 В, оборудуются релейной защитой от основных повреждений и неисправностей. Непосредственными защитными устройствами являются вторичные реле прямого или косвенного действия. Их подключение осуществляется не напрямую, а через измерительные трансформаторы напряжения и тока.

Монтаж и дальнейшая эксплуатация силовых трансформаторов

Большинство конструкций силовых трансформаторов обладают значительным весом. Поэтому для их транспортировки к месту монтажа используется специальный транспорт. Оборудование поставляется полностью собранным и готовым к подключению.

Монтаж силового трансформатора выполняется на заранее подготовленном фундаменте или в специальном помещении. Во избежание воздушных мешков под крышкой бака в процессе установки, под катки со стороны расширителя подкладываются стальные пластинки. Их толщина должна обеспечивать подъем 1% с узкой и 1,5% с широкой стороны трансформатора. Длина прокладок составляет не менее 150 мм. При массе устройства до 2 тонн установка выполняется непосредственно на фундамент. Корпус в обязательном порядке соединяется с системой заземления.

Перед началом установки силовые трансформаторы проходят испытания в лабораторных условиях. В это время измеряется коэффициент трансформации, проверяется качество соединений, изоляции, а также соответствие трансформаторного масла.

Релейная защита силового трансформатора

Повышающие трансформаторы представляют собой силовые конструкции, предназначенные для монтажа в электрических бытовых и производственных цепях. Установка меняет напряжение в сторону повышения. Как работает повышающий тип трансформаторов, где используются такие установки, нужно рассмотреть подробнее.

Функционирование

Чтобы понять, что такое трансформаторы повышающие напряжение, нужно вникнуть в принцип работы. Оборудование изготавливается для электростанций, схемы конструкции которых относятся к проходной категории.

Повышающий трансформатор на электростанциях используется для обеспечения населенных пунктов, прочих объектов током с определенными техническими показателями. Без преобразователя высокое напряжение по пути своего следования постепенно снижается. Конечный потребитель получал бы недостаточное количество электроэнергии. На конечной в цепи электростанции благодаря этой установке, принимают электричество соответствующего значения. Потребитель получает напряжение в сети до 220 В. Промышленные сети обеспечиваются до 380 В.

Схема, показывающая работу трансформатора в линии, включает в себя несколько элементов. Генератор на электростанции производит электричество 12 кВ. Оно поступает по проводам к повышающим подстанциям. Здесь устанавливается трансформаторный аппарат, призванный повышать показатель в линии до 400 кВ.

От подстанции электричество поступает в высоковольтную линию. Далее энергия попадает на понижающую подстанцию. Здесь она снижается до 12кВ.

Трансформаторами с обратным принципом действия ток направляется в низковольтную линию передач. В конце устанавливается еще один понижающий агрегат. От него электричество с показателем 220 В поступает в дома, квартиры и т. д.

Принцип устройства

Рассматривая, как работает трансформатор повышающий напряжение, нужно вникнуть в основные принципы действия конструкции. Основой работы трансформатора является механизм электромагнитной индукции. Металлический сердечник находится в изоляционной среде. В схему включено две катушки. Количество обмоток неодинаковое. Повысить показатель способны катушки, в первом контуре которых больше витков, чем во втором.

Напряжение переменного типа поступает на первый контур. Например, это ток в сети 110 (100) В. Появляется магнитное поле. Его сила увеличивается при правильном соотношении обмоток в сердечнике. Когда электричество проходит по второй обмотке в повышающем трансформаторе появляется ток с определенным показателем. Например, обеспечивается показатель характеристики сети 220 В.

При этом частота остается прежней. Для поступления постоянного тока в линию электроснабжения в цепь монтируется преобразователь. Этот прибор может быть в оборудовании повышающего типа. Прибор способен работать не только для изменения напряжения, но и частоты. Определенное оборудование питается постоянным током.

Разновидности

К категории повышающих разновидностей техники относится ряд устройств, отличающихся конструкцией, назначением, техническими характеристиками:

1. Автотрансформатор. Обладает одной совмещенной обмоткой.
2. Силовой. Наиболее распространенная разновидность среди приборов, которые повышают показатель напряжения.
3. Антирезонансный. Обладает закрытой конструкцией. Из-за особого принципа функционирования имеют компактные габариты.
4. Заземляемый. Обмотки соединяются звездой или зигзагом.
5. Пик-трансформаторы. Отделяют постоянный и переменный ток.
6. Бытовые. Повышение характеристик электричества при функционировании трансформатора производится в небольшом диапазоне. Помогают устранить помехи в бытовой сети, защитить технику от перепадов, пониженного и повышенного электричества.

Представленные конструкции отличаются мощностью и техническими характеристиками.

Другие виды

В соответствии с рабочими характеристиками представленное оборудование различается еще по нескольким признакам. По количеству контуров бывают однофазные (бытовые) и трехфазные (промышленные) конструкции.

В качестве охладительной системы применяются разные субстанции. Различают масляные и сухие разновидности. В первом случае оборудование стоит дешевле. Масло является пожароопасным веществом. При их использовании предусматривается качественная защита от аварии. Сухие агрегаты заполнены негорючим веществом. Они стоят дороже, но требования по их установке лояльные.

Циркуляция охладителя в системе может быть принудительным или естественным. Существуют конструкции, в которых эти методы комбинируются. Многообразие видов позволяет каждому подобрать оптимальный тип устройства.

Маркировка

Производителями разработана специальная маркировка представленного оборудования. Это позволяет потребителям и проверяющим легко определить разновидность оборудования.

В общем виде обозначение выглядит так — ТМ/Н – Х, где:

• Т – обозначение типа прибора;
• М – мощность агрегата, заданная производителем, кВА;
• Н – класс напряжения со стороны обмотки высокого напряжения (ВН);
• Х – климатическая характеристика, определяющая особенности размещения в соответствии с ГОСТ 15150.

Маркировка может включать в себя и другие характеристики. Табличка с указаниями параметров прибора устанавливается на его корпус. При установке оборудования информация с маркировкой должна находиться в доступном для визуального осмотра месте. Подробнее о маркировке трансформаторов читайте здесь.

Ремонт и обслуживание

Трансформатором называется сложное оборудование. Периодически потребуется проводить его обслуживание и ремонт. Доверить эту работу рекомендуется профессионалам. Только человек с соответствующей подготовкой имеет право проводить подобные работы.

При повышенной скорости нагрева, наличии шума, требуется произвести перемотку контуров трансформатора. Эту процедуру сможет выполнить неквалифицированный специалист, обладающий минимальным уровнем знаний в области работы электротехники.

Прибор имеет магнитопривод. Он является общим для катушек. Первый контур ответственен за понижение, а второй – за повышение электричества в сети. Осмотр трансформатора производится по определенной технологии.

Проверка

Сначала проводится визуальный осмотр блока. Если при работе наблюдается перегрев, на поверхности появляются деформации, неровности, вздутие изоляции. Если осмотр не выявил отклонений, нужно найти вход и выход прибора. Первый из них подведен к первой катушке. Здесь появляется магнитное поле в момент подачи электричества. Вывод подведен ко вторичной обмотке.

Выходной сигнал фильтруется. Этот показатель нужно замерять. Снимаются разборные части конструкции корпуса. Требуется получить доступ к микросхемам. Это позволит замерять напряжение мультиметром. При этом потребуется учесть номинальные показатели. Если результат замеров окажется меньше 80 % от заданного производителем значения, цепь первичной не функционирует правильно.

Первую катушку отсоединяют от прибора. На нее больше не поступает электричество. Затем проверяется вторичный контур. При отсутствии фильтрации используется питание от измерительного прибора. При отсутствии нормального напряжения в системе, аппаратура требует ремонта.

После проверки в случае исправности составляющих элементов, конструкция собирается обратном порядке. При необходимости проводится ремонт агрегата.

Интересное видео: Как работает трансформатор?

Рассмотрев особенности, принцип работы повышающих трансформаторов, можно оценить их важность в линиях электропередач. Применение подобного оборудования повышает качество электричества в бытовых, промышленных сетях. Его устанавливают повсеместно. Представленные разновидности установок сегодня пользуются высоким спросом.