Трансформатор напряжения принцип действия

Трансформатор относится к категории статических электромагнитных устройств, способных преобразовывать переменный ток с одним значением напряжения в переменный ток с другим напряжением, сохраняя при этом одну и ту же частоту. Эти приборы успешно используются в электрических сетях для передачи и распределения энергии, а также являются неотъемлемой частью многих электроустановок. В связи с этим, особенно актуальным становится вопрос, как работает трансформатор, в зависимости от количества обмоток, фаз, способов охлаждения и других конструктивных особенностей, от которых напрямую зависит применение данных устройств.

Действие понижающего трансформатора

Существуют различные типы понижающих трансформаторов. Они могут быть одно-, двух- или трехфазными, что позволяет использовать их в различных областях энергетики. Конструкция этих устройств включает в себя две обмотки и шихтованный сердечник, для изготовления которого используется электротехническая сталь. Отличительной особенностью понижающего трансформатора является различное число витков в первичной и вторичной обмотке. Для того, чтобы правильно использовать устройство, нужно хорошо представлять себе, как работает понижающий трансформатор.

Напряжение, подаваемое на вход трансформатора, вызывает появление в обмотке электродвижущей силы, которая, в свою очередь приводит к возникновению магнитного поля. В результате пересечения этим полем витков второй катушки, в ней появляется собственная электродвижущая сила самоиндукции. Под ее воздействием во второй катушке появляется напряжение, отличающееся от первичного на разницу количества витков в обеих обмотках.

Для определения точных параметров, необходимо выполнить расчеты понижающего трансформатора. Следует учитывать, что возникновение электродвижущей силы самоиндукции возможно лишь под действием переменного напряжения. Поэтому все бытовые электрические сети работают только на переменном токе.

В современных условиях все чаще возникает необходимость в преобразовании высокого напряжения в низкое. Это связано с тем, что электростанции вырабатывают ток высокого напряжения, обеспечивающий потребности какого-то участка. Поэтому на каждом таком участке начальное напряжение преобразуется до значения, допустимого к применению в бытовых условиях. Кроме того, понижающие трансформатора довольно часто используются в бытовых условиях, чтобы адаптировать низковольтные устройства к сетевому току 220В. Они являются конструктивными элементами различных блоков питания, адаптеров, стабилизаторов и других аналогичных устройств.

Приобретая понижающий трансформатор, следует обратить внимание на такие параметры, как мощность и количество витков в обеих обмотках. Необходимо учитывать важный показатель – коэффициент трансформации напряжения. Этот параметр зависит от соотношения количества витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора. Таким образом, определяется соотношение напряжений на обеих обмотках.

В понижающем трансформаторе число витков первичной обмотки превышает количество витков во вторичной обмотке, выдающей пониженное выходное напряжение. В некоторых устройствах имеется несколько выводов, означающих наличие сразу нескольких групп соединений. Формирование нужной схемы в них осуществляется в зависимости от величины входного и выходного тока. Такие трансформаторы являются универсальными и многофункциональными, пользующиеся широкой популярностью у потребителей.

Принцип работы трансформатора напряжения

Основная функция трансформаторов напряжения заключается в преобразовании энергии источника в нужное значение напряжение. Данные устройства могут работать лишь при переменном напряжении с неизменной частотой.

В соответствии с коэффициентом трансформации существует три типа трансформаторов напряжения:

• Понижающий. В этих устройствах напряжение на выходе меньше, чем входное. Используется в блоках питания, стабилизаторах и т.д.
• Повышающий. Здесь ток на выходе больше, чем на входе. Применяется, в основном, в усилительных устройствах.
• Согласующий. Работа этих приборов происходит без изменений параметров напряжения, все действия ограничиваются лишь гальванической развязкой. Используется в схемах звуковых усилителей.

Для того чтобы правильно использовать ту или иную конструкцию, необходимо точно знать, как работает трансформатор тока. Известно, что основой работы этих устройств является электромагнитная индукция. Для снижения потерь в процессе трансформации и максимальной передачи энергии в трансформаторах используются магнитопроводы. В конструкции имеется одна первичная катушка, в то время как вторичных катушек бывает несколько, в зависимости от назначения каждого прибора.

После возникновения в первичной обмотке переменного тока, в магнитопроводе появляется магнитный поток, возбуждающий напряжение во вторичной обмотке. Основным параметром считается коэффициент трансформации, равный отношению напряжения в первичной обмотке, к напряжению во вторичной обмотке. Таким же образом соотносится число витков, имеющихся в первой и второй катушках.

С помощью этого коэффициента выполняется расчет параметров для конкретного трансформатора. Например, если в первичной обмотке имеется 2000 витков, а во вторичной – 100, коэффициент трансформации будет равен 20. Следовательно, при входном сетевом напряжении 240 В, выходное напряжение составит 12 В. Таким же способом определяется необходимое количество витков при заданных значениях входного и выходного напряжения.

Одним из типов таких устройств, широко применяемых на практике, являются измерительные трансформаторы напряжения. Они используются в оборудовании, потребляющем большие токи и высокие рабочие напряжения с целью проведения контрольных измерений. С помощью этих устройств, измеряемые величины снижаются до уровня, позволяющего выполнить необходимые замеры.

Человеку, мало знакомому с электрикой сложно представить себе, что такое трансформатор, где он задействован, назначение элементов его конструкции.

Общая информация об устройстве

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования тока переменной частоты с одним напряжением в переменный ток с иным напряжением, но с прежней частотой, основанный на явлении электромагнитной индукции.

Применяются приборы во всех сферах деятельности человека: электроэнергетике, радиотехнической, радиоэлектронной промышленности, бытовой сфере.

Конструкция

Устройство трансформатора предполагает наличие одной либо большего числа отдельных катушек (ленточных или проволочных), находящихся под единым магнитным потоком, накрученных на сердечник, изготовленный из ферромагнетика.

Важнейшие конструктивные части следующие:

• обмотка;
• каркас;
• магнитопровод (сердечник);
• охлаждающая система;
• изоляционная система;
• дополнительные части, необходимые в защитных целях, для установки, обеспечения подхода к выводящим частям.

В приборах чаще всего можно увидеть обмотку двух типов: первичную, получающую электроток от стороннего питающего источника, и вторичную, с которой напряжение снимается.

Сердечник обеспечивает улучшенный обратный контакт обмоток, обладает пониженным сопротивлением магнитному потоку.

Некоторые виды приборов, работающие на сверхвысокой и высокой частоте, производятся без сердечника.

Производство приборов налажено в трех базовых концепциях обмоток:

Устройство трансформаторов стержневых подразумевает накручивание обмотки на сердечник строго горизонтальное. В приборах броневого типа она заключена в магнитопроводе, размещается горизонтально либо вертикально.

Надежность, эксплуатационные особенности, устройство и принцип действия трансформатора принимаются без какого-либо влияния принципа его изготовления.

Принцип работы

Принцип работы трансформатора базируется на эффекте взаимоиндукции. Поступление тока переменной частоты от стороннего поставщика электроэнергии на вводы первичной обмотки формирует в сердечнике магнитное поле с переменным потоком, проходящего через вторичную обмотку и индуцирующее образование электродвижущей силы в ней. Закорачивание на приемнике электроэнергии вторичной обмотки обуславливает прохождение сквозь приемник электротока из-за влияния электродвижущей силы, вместе с тем в первичной обмотке образуется ток нагрузки.

Назначение трансформатора — перемещение преобразованной электрической энергии (без перемены ее частоты) к вторичной обмотке из первичной с подходящим для функционирования потребителей напряжением.

Классификация по видам

Силовые

Силовой трансформатор переменного электротока — это прибор, использующийся в целях трансформирования электроэнергии в подводящих сетях и электроустановках значительной мощности.

Необходимость в силовых установках объясняется серьезным различием рабочих напряжений магистральных линий электропередач и городских сетей, приходящих к конечным потребителям, требующимся для функционирования работающих от электроэнергии машин и механизмов.

Автотрансформаторы

Устройство и принцип работы трансформатора в таком исполнении подразумевает прямое сопряжение первичной и вторичной обмоток, благодаря этому одновременно обеспечивается их электромагнитный и электрический контакт. Обмотки устройств имеют не менее трех выводов, отличающихся своим напряжением.

Основным достоинством этих приборов следует назвать хороший КПД, потому как преобразуется далеко не вся мощность — это значимо для малых расхождениях напряжений ввода и вывода. Минус — неизолированность цепей трансформатора (отсутсвтие разделения) между собой.

Трансформаторы тока

Данным термином принято обозначать прибор, запитанный непосредственно от поставщика электроэнергии, применяющийся в целях понижения первичного электротока до подходящих значений для использующихся в измеряющих и защитных цепях, сигнализации, связи.

Первичная обмотка трансформаторов электротока, устройство которых предусматривает отсутствие гальванических связей, подключается к цепи с подлежащим определению переменным электротоком, а электроизмерительные средства подсоединяются к вторичной обмотке. Текущий по ней электроток примерно соответствует току первичной обмотки, поделенному на коэффициент трансформирования.

Трансформаторы напряжения

Назначение этих приборов — снижение напряжения в измеряющих цепях, автоматики и релейной защиты. Такие защитные и электроизмерительные цепи в устройствах различного назначения отделены от цепей высокого напряжения.

Импульсные

Данные виды трансформаторов необходимы для изменения коротких по времени видеоимпульсов, как правило, имеющих повторение в определенном периоде со значительной скважностью, с приведенным к минимуму изменением их формы. Цель использования — перенос ортогонального электроимпульса с наиболее крутым срезом и фронтом, неизменным показателем амплитуды.

Главным требованием, предъявляющимся к приборам данного типа, является отсутствие искажений при переносе формы преобразованных импульсов напряжения. Действие на вход напряжения какой-либо формы обуславливает получение на выходе импульса напряжения идентичной формы, но, вероятно, с другим диапазоном либо измененной полярностью.

Разделительные

Что такое трансформатор разделительный становится понятно исходя из самого определения — это прибор с первичной обмоткой, не связанной электрически (т.е. разделенной) с вторичными.

Существует два типа таких устройств:

Силовые применяются с целью улучшения надежности электросетей при непредвиденном синхронном соединении с землей и токоведущими частями, либо элементами нетоковедущими, оказавшимися из-за нарушения изоляции под напряжением.

Сигнальные применяются в целях обеспечения гальванической развязки электроцепей.

Согласующие

Как работает трансформатор данного вида также понятно из его названия. Согласующими называются приборы, применяющиеся с целью согласования между собой сопротивления отдельных элементов электросхем с приведенным к минимуму изменением формы сигнала. Также устройства такого типа используются для исключения гальванических взаимодействий между отдельными частями схем.

Пик-трансформаторы

Принцип действия пик-трансформаторов базируется на преобразование характера напряжения, от входного синусоидального в импульсное. Полярность после перехода изменяется по прошествии половины периода.

Сдвоенный дроссель

Его азначение, устройство и принцип действия, как трансформатора, абсолютно идентичны приборам с парой подобных обмоток, которые, в данном случае, абсолютно одинаковы, намотанны встречно или согласованно.

Также часто можно встретить такое наименование данного устройства, как встречный индуктивный фильтр. Это говорит о сфере применения прибора – входная фильтрация напряжения в блоках питания, звуковой технике, цифровых приборах.

Режимы работы

Холостой ход (ХХ)

Такой порядок работы реализуется от размыкания вторичной сети, после чего в ней прекращается течение электротока. В первичной обмотке течет ток холостого хода, составной его элемент — ток намагничивающий.

Когда вторичный ток равен нулю, электродвижущая сила индукции в первичной обмотке целиком возмещает напряжение питающего источника, а потому при пропаже нагрузочных токов, идущий сквозь первичную обмотку ток по своему значению соответствует току намагничивающему.

Функциональное назначение работы трансформаторов вхолостую — определение их важнейших параметров:

• КПД;
• показателя трансформирования;
• потерь в магнитопроводе.

Режим нагрузки

Режим характеризуется функционированием устройства при подаче напряжения на вводы первичной цепи и подключении нагрузки во вторичной. Нагружающий ток идет по «вторичке», а в первичной — суммарный ток нагрузки и ток холостой работы. Этот режим функционирования считается для прибора преобладающим.

На вопрос, как работает трансформатор в основном режиме, отвечает основной закон ЭДС индукции. Принцип таков: подача нагрузки к вторичной обмотке вызывает образование во вторичной цепи магнитного потока, образующего в сердечнике нагружающий электроток. Направлен он в сторону, противоположную его течению, создающегося первичной обмоткой. В первичной цепи паритет электродвижущих сил поставщика электроэнергии и индукции не соблюдается, в первичной обмотке осуществляется повышение электротока до того времени, пока магнитный поток не вернется к своему исходному значению.

Короткое замыкание (КЗ)

Переход прибора в этот режим осуществляется при кратковременном замыкании вторичной цепи. Короткое замыкание — особый тип нагрузки, прилагаемая нагрузка — сопротивление вторичной обмотки — единственная.

Принцип работы трансформатора в режиме КЗ таков: к первичной обмотке приходит незначительное переменное напряжение, выводы вторичной соединяются накоротко. Напряжение на входе устанавливается с таким расчетом, чтобы величина замыкающего тока соответствовала величине номинального электротока устройства. Величина напряжения определяет энергопотери, приходящиеся на разогрев обмоток, а также на активное сопротивление.

Такой режим характерен для приборов измерительного типа.

Исходя из многообразия устройств и видов назначения трансформаторов, можно с уверенностью сказать, что на сегодня они — незаменимые, использующиеся практически повсеместно устройства, благодаря которым обеспечивается стабильность и достижение необходимых потребителю значений напряжения, как гражданских сетей, так и сетей предприятий промышленности.

Трансформатор напряжения – это один из видов трансформаторов, который еще называют измерительным, предназначеннный для отделения первичных цепей высокого и сверх высокого напряжений и цепей измерений, РЗ и А. Также их используют для понижения высоких напряжений (110, 10 и 6 кВ) до стандартных нормируемых величин напряжений вторичных обмоток – 100 либо 100/√3.

Помимо этого, применение трансформаторов напряжение в электроустановках позволяет изолировать маломощные низковольтные измерительные приборы и устройства, что удешевляет стоимость и позволяет использовать более простое оборудование, а также обеспечивает безопасность обслуживания электроустановок.

Трансформаторы напряжения нашли широкое применение в силовых электроустановках высокого напряжения

От точности их работы зависит правильность коммерческого учета электроэнергии, селективность действия устройств РЗ и противоаварийной автоматики, также они служат для синхронизации и питания автоматики релейной защиты ЛЭП от коротких замыканий, и др.

Такие трансформаторы оснащают разъемами для подключения: первичная обмотка присоединяется к цепям силового напряжения, а ко вторичной могут подключены — реле, обмотки вольтметра или ваттметра и пр. приборы. Принцип действия у них аналогичен силовому трансформатору: трансформирование напряжения в измерительном трансформаторе производится переменным магнитным полем.

Интересное видео о работе и принципе устройста трансформаторов тока смотрите ниже:

Потери намагничивания обуславливают некоторую погрешность в классах точности.

• конструкцией магнитопровода;
• проницаемостью стали;
• коэффициентом мощности, т.е. зависит от вторичной нагрузки.

Конструкцией предусматривается компенсация погрешности по напряжению благодаря уменьшению количества витков первичной обмотки, устранению угловой погрешности с помощью компенсирующих обмоток. Простейшая схема включения трансформатора напряжения

Классификация трансформаторов напряжения

1. По количеству фаз:
2. однофазные;
3. трехфазные.
4. По числу обмоток:
5. 2-х-обмоточные;
6. 3-х-обмоточные.
7. По способу действия системы охлаждения:
8. электрические устройства с масляным охлаждением;
9. электрические устройства с воздушной системой охлаждения ( с литой изоляцией либо сухие).
10. По способу установки и размещения:
11. для наружной установки;
12. для внутренней;
13. для комплектных РУ.
14. По классу точности: по нормируемым величинам погрешностей.

Виды трансформаторов напряжения

Рассмотрим несколько трансфомраторов напряжения разных производителей:

Трансформатор напряжения ЗНОЛ-НТЗ-35-IV-11

Производиель — Невский трансформаторный завод «Волхов».

Назначение и область применение ЗНОЛ-НТЗ

Трансформаторы предназначены для наружной установки в открытых распределительных устройствах (ОРУ). Трансформаторы обеспечивают передачу сигнала измерительной информации измерительным приборам и устройствам защиты и управления, предназначены для использования в цепях коммерческого учета электроэнергии в электрических установках переменного тока на класс напряжения 35 кВ. Трансформаторы выполнены в виде опорной конструкции.

Корпус трансформаторов выполнен из компаунда на основе гидрофобной циклоалифатической смолы «Huntsman», который одновременно является основной изоляцией и обеспечивает защиту обмоток от механических и климатических воздействий.Рабочее положение трансформаторов в пространстве — вертикальное, высоковольтными выводами вверх.

Рисунок — Габаритные размеры трансформатора

Рисунок — схемы подключения обмоток трансформаторов

Характеристики:

1. Класс напряжения по ГОСТ 1516.3, кВ — 27 35 27
2. Наибольшее рабочее напряжение, кВ — 30 40,5 40,5
3. Номинальное напряжение первичной обмотки, кВ — 15,6 20,2 27,5
4. Номинальное напряжение основной вторичной обмотки, В — 57,7 100
5. Номинальное напряжение дополнительной вторичной обмотки, В — 100/3, 100 127
6. Номинальные классы точности основной вторичной обмотки — 0,2; 0,5; 1; 3

Ещё одно интересное видео о работе трансформаторов тока:

Трехфазная антирезонансная группа трансформаторов напряжения 3хЗНОЛПМ(И)

Производитель «Свердловский завод трансформаторов тока»

Назначение 3хЗНОЛПМ(И)

Трансформаторы предназначены для установки в комплектные устройства (КРУ), токопроводы и служат для питания цепей измерения, защиты, автоматики, сигнализации и управления в электрических установках переменного тока частоты 50 или 60 Гц в сетях с изолированной нейтралью.

Трансформаторы изготавливаются в климатическом исполнении «УХЛ» категории размещения 2 по ГОСТ 15150.

Рабочее положение — любое.

Расположение первичного вывода возможно как с лицевой так и с тыльной стороны трансформатора.

Трехфазная группа может комплектоваться в 4-ех вариантах:

• из трех трансформаторов ЗНОЛПМ — 3хЗНОЛПМ-6 и 3хЗНОЛПМ-10;
• из трех трансформаторов ЗНОЛПМИ — 3хЗНОЛПМИ-6 и 3хЗНОЛПМИ-10;
• из одного трансформатора ЗНОЛПМ (устанавливается по середине) и двух трансформаторов ЗНОЛПМИ (устанавливаются по краям) — 3хЗНОЛПМ(1)-6 и 3хЗНОЛПМ(1)-10;
• из двух трансформаторов ЗНОЛПМ (устанавливаются по краям) и одного трансформатора ЗНОЛПМИ (устанавливается по середине) — 3хЗНОЛПМ(2)-6 и 3хЗНОЛПМ(2)-10.

Для повышения устойчивости к феррорезонансу и воздействию перемежающейся дуги в дополниетльные обмотки, соединенные в разомкнутый треугольник, используемые для контроля изоляции сети, рекомендуется включать резистор сопротивлением 25 Ом, рассчитанный на длительное протекание тока 4А.

Внимание! При заказе трансформаторов напряжения для АИСКУЭ обязательно заполнение опросного листа.

Гарантийный срок эксплуатации — 5 (пять) лет со дня ввода трансформатора в эксплуатацию, но не более 5,5 лет с момента отгрузки с завода-изготовителя.

Срок службы — 30 лет.

НАМИТ-10-2

Производитель ОАО «Самарский Трансформатор»

Назначение и область применения

Трансформатор напряжения НАМИТ-10-2 УХЛ2 трехфазный масляный антирезонансный является масштабным преобразователем и предназначен для выработки сигнала измерительной информации для измерительных приборов в цепях учёта, защиты и сигнализации в сетях 6 и 10 кВ переменного тока промышленной частоты с изолированной нейтралью или заземлённой через дугогасящий реактор. Трансформатор устанавливается в шкафах КРУ(Н) и в закрытых РУ промышленных предприятий

Технические параметры трансформатора напряжения НАМИТ-10-2

1. Номинальное напряжение первичной обмотки, кВ — 6 или 10
2. Наибольшее рабочее напряжение, кВ — 7,2 или 12
3. Номинальное напряжение основной вторичной обмотки (между фазами), В — 100 (110)
4. Ннапряжение дополнительной вторичной обмотки (аД — хД), не более, В — 3
5. Класс точности основной вторичной обмотки — 0,2/0,5

Рисунок — Габаритные размеры и схема подключения