Что представляют собой обмотки трансформаторов?

Обмотки трансформаторов

Обмотки трансформаторов должны обладать:

1. Механической прочностью;

2. Электрической прочностью;

Основными величинами, определяющими конструкцию обмоток трансформатора, являются номинальные значения тока и напряжения. Обмотки выполняются из медного или алюминиевого провода круглого сечения (s = 0,02…10 мм 2 ) или прямоугольного (s = 6…60 мм 2 ).

Плотность тока в медных обмотках должна находиться в пределах:

· в трансформаторах с масляным охлаждением – j = 2,5…4,5 А/мм 2 ;

· в сухих трансформаторах – j = 1,8…2,5 А/мм 2 .

В обмотках, выполненных из алюминиевого провода, плотность тока на 40% меньше. В связи с этим, поперечное сечение обмотки из алюминия будет больше, чем из меди, при одной величине тока, а, следовательно, габариты и масса трансформатора с алюминиевыми обмотками больше, чем с медными.

В современных трансформаторах первичную и вторичную обмотки не размещают на различных стержнях магнитопровода, а стремятся расположить для лучшей магнитной связи ближе друг к другу. При этом на каждом стержне размещают обе обмотки: либо концентрически одну поверх другой (рис. 2.5, а) – концентрические обмотки, либо в виде нескольких дисковых катушек, чередующихся по высоте стержня (рис. 2.5, б) – дисковые чередующиеся обмотки. Эти обмотки имеют меньшее магнитное рассеяние, однако изоляции их сложнее. В силовых трансформаторах применят в основном концентрические обмотки, причём ближе к стержням располагают обмотку НН, требующую меньшей изоляции относительно стержня, а снаружи – обмотку ВН.

Обмотки трансформаторов делятся на:

1. Цилиндрические 1, 2-х слойные, выполненные из провода прямоугольного сечения (рис. 2.5, а).

2. Цилиндрические многослойные, выполненные из провода круглого или прямоугольного сечения (рис. 2.5, б). Применяются в качестве обмотки ВН или НН, просты в производстве, но механическая прочность невелика. Применяют при мощности на 1 стержень до 200 кВА.

3. Катушечные многослойные (рис. 2.5, б). Состоят из ряда последовательно-соединённых катушек, намотанных из круглого провода. Используются в качестве обмотки ВН при напряжении до 35 кВ, при мощности на 1 стержень до 350 кВА.

4. Винтовые (рис. 2.5, г). Выполняются из нескольких прямоугольных проводников, которые укладываются по винтовой линии. Для равномерного распределения тока между параллельными проводниками применяется транспозиция проводников, т.е. перекладка проводников относительно стержня. Используются в качестве обмотки НН при токах свыше 300 А, при напряжении от 230 В до 15 кВ, мощность на 1 стержень – от 45 до до 350 кВА. Обладают достаточной механической прочностью.

5. Непрерывные катушечные. Широко используются в качестве обмоток ВН и НН ввиду большой механической прочности и надёжности. Выполняется из нескольких десятков дисковых катушек, намотанных по спираль и соединённых без пайки.

2.4. Режим холостого хода 1–фазного трансформатора

Изучение работы трансформатора под нагрузкой основывается на изучении двух предельных режимов: холостого хода (х.х.) и короткого замыкания (к.з.).

Под режимом холостого хода понимают такой режим работы трансформатора, когда его первичная обмотка подключена на сеть переменного напряжения, а вторичная обмотка разомкнута.

Если подвести к первичной обмотке напряжение , то по обмотке потечёт ток i₀, который создаёт МДС . Эта МДС создаёт магнитный поток. Часть потока замыкается по сердечнику, образуя основной поток Ф. Другая часть потока замыкается в основном по воздуху и сцепляется с витками первичной обмотки – Ф_s1 – поток рассеяния. Основной поток наводит в первичной и вторичной обмотке ЭДС

; (2.8)

, (2.9)

а в первичной обмотке – ЭДС рассеяния:

. (2.10)

По закону равновесия напряжений, запишем уравнение напряжений для первичной и вторичной обмотки:

. (2.11)

Рассмотрим холостой ход идеального трансформатора, т.е. трансформатора без рассеяния и потерь мощности: , тогда получим:

. (2.12)

Таким образом, подводимое напряжение и наводимая в первичной обмотке ЭДС в любой момент времени находятся во взаимном равновесии:

. (2.13)

С другой стороны,

. (2.14)

, (2.15)

, (2.16)

. (2.17)

Таким образом, магнитный поток является синусоидальной функцией времени и опережает ЭДС на угол (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Кривые первичного

Дата добавления: 2014-12-09 ; просмотров: 1143 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Понятие группы соединения обмоток трансформаторов, таблицы и схемы

Любой трансформатор, за исключением автотрансформатора, имеет минимум две обмотки: высокого и низкого напряжений. Также у трехфазных устройств каждая из обмоток состоит из трех частей (по числу фаз). Большое количество частей дает возможность множества вариантов включения. Чтобы избежать путаницы, все группы соединения обмоток трансформатора для трехфазных устройств стандартизированы и приведены к единой системе для безошибочного подключения устройств и возможности параллельной работы.

Понятие группы соединение обмоток трехфазного трансформатора

В трехфазных сетях используется два вида соединений: звезда и треугольник. При изготовлении конструкций может показаться, что существует всего четыре вида расположения обмоток:

1. Звезда-звезда.
2. Звезда-треугольник.
3. Треугольник-звезда.
4. Треугольник-треугольник.

На деле все обстоит сложнее, поскольку в каждом виде соединений (звезде или треугольники) части обмоток могут быть соединены по-разному. В качестве примера можно привести обычных двухобмоточный трансформатор. Если у такого устройства совпадают начала и концы обмоток, то сдвиг фаз будет равен 0. Разворот одной из обмоток даст сдвиг фаз 180 .

Также встречаются z-образные соединения обмоток (зигзаг). В таких конструкциях каждая из обмоток состоит из двух частей, расположенных на различных стержнях магнитопровода трансформатора.

Трехфазная сеть характеризуется сдвигом фаз одна относительно другой на 120 . Поэтому всего насчитывается 12 групп соединения. Каждая группа характеризуется определенным сдвигом одноименных фаз на входе и выходе трансформатора.

Условные обозначения и расшифровка

Группы маркируются числами от 0 до 11. Для удобства и стандартизации принято следующее:

• однотипные соединения (∆/∆, Y/Y) имеют четные номера;
• разнотипные соединения (∆/Y, Y/∆) – нечетные.

Трехфазные трансформаторы выполняются на стержневых магнитопроводах. Каждая из фаз располагается на отдельном стержне. Это во многом упрощает дальнейшую работу и согласование устройств между собой.

Если у трансформатора одинаковые фазы намотаны на одних стержнях, то группы соединений при этом называются основными (0, 6, 11, 5). Остальные группы – производные.

Так как минимальный сдвиг фаз может составлять 30 , то количество вариантов равно 12, что соответствует положениям стрелок часов. 0-е и 12-е положения совпадают. На основании этого говорят, что номер группы совпадает с положением часовой и минутной стрелок. Сдвиг фаз вычисляется просто:

Приняты следующие обозначения на электросхемах и устройствах:

• Y, У – звезда;
• Yн, Ун – звезда на стороне низкого напряжения;
• Yо, Уо – звезда с нулевой точкой;
• ∆, Д, D – треугольник;
• ∆н, Дн, Dн – треугольник на стороне низкого напряжения.

Пример маркировки двухобмоточного трансформатора:

• ∆/Yн – 11. Первичная обмотка треугольник, вторичная (понижающая) звезда. Сдвиг фаз 330 ;
• Y/Yо -0. Обе обмотки соединены звездой, вторичная с выведенной нулевой точкой. Сдвиг фаз отсутствует.

Также на электрических схемах обмотки высокого напряжения (ВН) обозначают символами:

• A,B, C – начало обмотки;
• X, Y, Z – конец обмотки.

Аналогично для стороны низкого напряжения:

• a, b, c;
• x, y, z.

Подобным образом маркируются многообмоточные устройства, например:

Вместо нулевой группы может указываться двенадцатая, что совершенно равнозначно.

Как строятся векторные диаграммы

При построении векторных диаграмм надо запомнить правило, что сдвиг фаз меду фазами равняется 120 , то есть, при равенстве напряжений, концы векторов всегда будут образовывать равносторонний треугольник.

Наиболее просто составляется диаграмм для соединения звезда. В центре диаграммы ставится точка, которая соответствует объединенным концам обмоток. Из центра под углами 120 0 проводятся векторы фаз. Вертикально проводят вектор средней фазы.

Для треугольника начерно проводят линию, параллельную соответствующей фазы звезды, а от ее концов, соответственно, подсоединенные к ней оставшиеся две фазы. Должно соблюдаться условие – все стороны треугольника должны быть параллельны соответствующим фазам звезды. Искомыми векторами будут проведенные линии из центра треугольника к его вершинам.

Векторные диаграммы рисуются для высокой и низкой сторон, а затем совмещаются с единым центром. Угол между одинаковыми фазами будет показывать номер группы соединения, выраженный в часах.

Отсчет нужно брать от вектора высокого напряжения к низкому.

Таблица групп соединений

В таблице ниже представлены обозначения групп соединения и чередование фаз низкой и высокой сторон.

Определение методом гальванометра

Существует несколько способов определить правильность подсоединения обмоток. Самый простой способ – использование вольтметра магнитоэлектрической системы. Его еще называют методом постоянного тока.

Для этого к концам проверяемой обмотки подключают измерительный прибор, а на другую обмотку подают постоянное напряжение. Отклонение стрелки в момент замыкания ключа покажет полярность подключения обмотки. Такие действия производятся для каждой обмотки.

Также можно воспользоваться простым вольтметром при подключении переменного напряжения. Для этого на одну из обмоток подают пониженное переменное напряжение, а остальные две обмотки соединяют последовательно и подключают к вольтметру. Отсутствие или слишком малые показания говорят о том, что обмотки включены встречно.

Проверка

Если известен коэффициент трансформации, то при помощи вольтметра можно определить номер основной группы соединения. Для этой цели подают напряжение на концы А и а или x и y и измеряют напряжения на выводах В-в и С-с при соединении звездой или B-y и C-z при соединении треугольником. Для проверки используют следующие соотношения:

Для исключения повреждения оборудования, возникновения аварийных ситуаций и травмирования, все измерения следует производить при низком напряжении, не включая оборудование в основную сеть предприятия.

Примеры групповых соединений обмоток

Государственным стандартом предусмотрены только две группы соединения обмоток:

1. Y/Y-0 или ∆/∆-0
2. Y/∆-11 и ∆/Y-11

Жесткая стандартизация позволяет исключить аварии и повреждения в результате неправильных подключений. К тому же, для трансформаторов одинаковой мощности и коэффициента трансформации становится возможным параллельное включение устройств.

Остальное количество соединений используется крайне редко в отдельных случаях при невозможности использования стандартного варианта.

Тип подключения должен быть оговорен в сопроводительной документации и продублирован на шильдике устройства.

Ошибочные обозначения

Ошибочные включения возникают при несоблюдении правил подключения концов. Это происходит в результате неправильной намотки или неправильном обозначении. В результате при включении устройства в трехфазную сеть, обмотки, включенные встречно, компенсируют магнитные потоки друг у друга, поэтому через них начинает протекать ток, ограниченный лишь активным сопротивлением обмоточного провода, что равносильно короткому замыканию.

Чтобы исключить случаи неправильного включения, рекомендуется после ремонта оборудования или перед включением неизвестных устройств тщательно проверить фазировку каждой обмотки несколькими методами для исключения возможных ошибок.

Уменьшить вероятность ошибки поможет предварительный расчет напряжений для измерений по методу вольтметра. Полученные данные служат ориентировочными значениями, на которые нужно обращать внимание при проведении последующих измерений.

Схемы и группы соединений обмоток трансформаторов

Схемы соединений обмоток трехфазных трансформаторов

Трехфазный трансформатор имеет две трехфазные обмотки — высшего (ВН) и низшего (НН) напряжения, в каждую из которых входят по три фазные обмотки, или фазы. Таким образом, трехфазный трансформатор имеет шесть независимых фазных обмоток и 12 выводов с соответствующими зажимами, причем начальные выводы фаз обмотки высшего напряжения обозначают буквами A , B , С, конечные выводы — X , Y , Z , а для аналогичных выводов фаз обмотки низшего напряжения применяют такие обозначения: a, b, c, x, y, z.

Каждая из обмоток трехфазного трансформатора — первичная и вторичная — может быть соединена тремя различными способами, а именно:

• звездой;
• треугольником;
• зигзагом.

В большинстве случаев обмотки трехфазных трансформаторов соединяют либо в звезду, либо в треугольник (рис. 1).

Осветительные сети выгодно строить на высокое напряжение, но лампы накаливания с большим номинальным напряжением имеют малую световую отдачу. Поэтому их целесообразно питать от пониженного напряжения. В этих случаях обмотки трансформатора также выгодно соединять в звезду (Y), включая лампы на фазное напряжение.

С другой стороны, с точки зрения условий работы самого трансформатора, одну из его обмоток целесообразно включать в треугольник.

Фазный коэффициент трансформации трехфазного трансформатора находят, как соотношение фазных напряжений при холостом ходе:

n ф = U фвнх / U фннх,

а линейный коэффициент трансформации, зависящий от фазного коэффициента трансформации и типа соединения фазных обмоток высшего и низшего напряжений трансформатора, по формуле:

n л = U лвнх / U лннх.

Если соединений фазных обмоток выполнено по схемам «звезда-звезда» или «треугольник-треугольник», то оба коэффициента трансформации одинаковы, т.е. n ф = n л.

При соединении фаз обмоток трансформатора по схеме «звезда — треугольник» — n л = n фV 3 , а по схеме «треугольник-звезда» — n л = n ф / V 3

Группы соединений обмоток трансформатора

Группа соединений обмоток трансформатора характеризует взаимную ориентацию напряжений первичной и вторичной обмоток. Изменение взаимной ориентации этих напряжений осуществляется соответствующей перемаркировкой начал и концов обмоток.

Стандартные обозначения начал и концов обмоток высокого и низкого напряжения показаны на рис.1.

Рассмотрим вначале влияние маркировки на фазу вторичного напряжения по отношению к первичному на примере однофазного трансформатора (рис. 2 а).

Обе обмотки расположены на одном стержне и имеют одинаковое направление намотки. Будем считать верхние клеммы началами, а нижние — концами обмоток. Тогда ЭДС Ё1 и E2 будут совпадать по фазе и соответственно будут совпадать напряжение сети U1 и напряжение на нагрузке U2 (рис. 2 б). Если теперь во вторичной обмотке принять обратную маркировку зажимов (рис. 2 в), то по отношению к нагрузке ЭДС Е2 меняет фазу на 180°. Следовательно, и фаза напряжения U2 меняется на 180°.

Таким образом, в однофазных трансформаторах возможны две группы соединений, соответствующих углам сдвига 0 и 180°. На практике для удобства обозначения групп используют циферблат часов. Напряжение первичной обмотки U1 изображают минутной стрелкой, установленной постоянно на цифре 12, а часовая стрелка занимает различные положения в зависимости от угла сдвига между U1 и U2. Сдвиг 0° соответствует группе 0, а сдвиг 180° — группе 6 (рис. 3).

В трехфазных трансформаторах можно получить 12 различных групп соединений обмоток. Рассмотрим несколько примеров.

Пусть обмотки трансформатора соединены по схеме Y/Y (рис. 4). Обмотки, расположенные на одном стержне, будем располагать одну под другой.

Зажимы А и а соединим для совмещения потенциальных диаграмм. Зададим положение векторов напряжений первичной обмотки треугольником АВС. Положение векторов напряжений вторичной обмотки будет зависеть от маркировки зажимов. Для маркировки на рис. 4а, ЭДС соответствующих фаз первичной и вторичной обмоток совпадают, поэтому будут совпадать линейные и фазные напряжения первичной и вторичной обмоток (рис. 4, б). Схема имеет группу Y/Y — О.

Изменим маркировку зажимов вторичной обмотки на противоположную (рис. 5. а). При перемаркировке концов и начал вторичной обмотки фаза ЭДС меняется на 180°. Следовательно, номер группы меняется на 6. Данная схема имеет группу Y/Y — б.

На рис. 6 представлена схема, в которой по сравнению со схемой рис 4 выполнена круговая перемаркировка зажимов вторичной обмотки. При этом фазы соответствующих ЭДС вторичной обмотки сдвигаются на 120° и, следовательно, номер группы меняется на 4.

Схемы соединений Y/Y позволяют получить четные номера групп, при соединении обмоток по схеме «звезда-треугольник» номера групп получаются нечетными. В качестве примера рассмотрим схему, представленную на рис. 7.

В этой схеме фазные ЭДС вторичной обмотки совпадают с линейными, поэтому треугольник аbс поворачивается на 30° против часовой стрелки по отношению к треугольнику АВС. Но так как угол между линейными напряжениями первичной и вторичной обмоток отсчитывается по часовой стрелке, то группа будет иметь номер 11.

Из двенадцати возможных групп соединений обмоток трехфазных трансформаторов стандартизованы две: «звезда-звезда» — 0 и «звезда-треугольник» — 11. Они, как правило, и применяются на практике.

Схемы «звезда-звезда с нулевой точкой» используют в основном для трансформаторов потребителей напряжением 6 — 10/0,4 кВ. Нулевая точка дает возможность получить напряжение 380/220 или 220/127 В, что удобно для одновременного подключения как трехфазных, так и однофазных приемников электроэнергии (электродвигателей и ламп накаливания).

Схемы «звезда-треугольник» применяют для высоковольтных трансформаторов, соединяя обмотку 35 кВ в звезду, а 6 или 10 кВ в треугольник. Схема «звезда с нулевой точкой» используется в высоковольтных системах, работающих с заземленной нейтралью.

Группы соединения обмоток трехфазных трансформаторов:

Обмотки трансформаторов

Дата публикации: 22 марта 2013 .
Категория: Трансформаторы.

Конструкция обмоток трансформаторов должна удовлетворять условиям высокой электрической и механической прочности, а также нагревостойкости. Кроме того, технология изготовления обмоток должна быть по возможности простой и недорогой, а электрические потери в обмотках должны находиться в установленных пределах. Конструкции обмоток в зависимости от номинального тока и номинального напряжения обмотки весьма разнообразны.

Обмотки изготавливаются из медного, а в последнее время часто также из алюминиевого провода. Плотность тока в медных обмотках масляных трансформаторов находится в пределах 2 – 4,5 А/мм², а в сухих трансформаторах 1,2 – 3,0 А/мм². Верхние пределы относятся к более мощным трансформаторам. В алюминиевых обмотках плотность тока на 40 – 45% меньше. Для изготовления обмоток применяются круглые провода сечением 0,02 – 10 мм² и прямоугольные сечением 6 – 60 мм². Во многих случаях витки и катушки обмоток наматываются из определенного числа параллельных проводников.

Рисунок 1. Концентрические (а) и чередующиеся (б) обмотки

Обмотки масляных трансформаторов изготавливаются из проводов с эмалевой и хлопчатобумажной изоляцией (круглые сечения) и из проводов, изолированных двумя слоями кабельной бумаги или хлопчатобумажной пряжей (прямоугольные сечения). В сухих силовых трансформаторах применяются провода с нагревостойкой изоляцией из стекловолокна.

По способу расположения на стержнях и по взаимному расположению обмоток высшего напряжения ВН и низшего напряжения НН обмотки разделяются на концентрические (рисунок 1, а) и чередующиеся (рисунок 1, б). В первом случае обмотки ВН и НН расположены относительно друг друга и вокруг стержня концентрически, причем ближе к стержню обычно находится обмотка НН, так как изоляция обмотки от стержня при этом облегчается. В чередующихся обмотках катушки ВН и НН чередуются вдоль стержня по высоте. Чередующиеся обмотки имеют более полную электромагнитную связь, однако они сложнее в изготовлении и в случае высоких напряжений изоляция обмоток друг от друга усложняется. Поэтому в силовых трансформаторах обычно применяются концентрические обмотки, разновидности которых кратко рассматриваются ниже.

Многослойные цилиндрические обмотки

Многослойные цилиндрические обмотки (рисунок 2) изготовляются из круглых или прямоугольных проводников, которые размещаются вдоль стержня в несколько слоев, причем между слоями прокладывается изоляция из кабельной бумаги. При большом числе слоев обмотка подразделяется на две концентрические катушки, между которыми оставляется канал для охлаждения. Эти обмотки применяются при мощностях на стержень S_ст ≤ 200 кВ×А, при токе на обмотку стержня I_ст ≤ 135 А и напряжении U_л.н ≤ 35 кВ.

Многослойные цилиндрические катушечные обмотки

Многослойные цилиндрические катушечные обмотки (рисунок 3) наматываются из круглого провода и состоят из многослойных дисковых катушек, расположенных вдоль стержня. Между катушками (через каждую катушку или через две-три катушки) могут быть оставлены радиальные каналы для охлаждения. Такие обмотки применяются на стороне высшего напряжения при S_ст ≤ 335 кВ×А, I_ст ≤ 45 А и U_л.н ≤ 35 кВ.

Однослойные и двухслойные цилиндрические обмотки

Однослойные и двухслойные цилиндрические обмотки (рисунок 4) наматываются из одного или нескольких (до четырех) параллельных прямоугольных проводников и применяются при S_ст ≤ 200 кВ×А, I_ст ≤ 800 А и U_л.н ≤ 6 кВ.

Винтовые обмотки

Винтовые обмотки (рисунок 5) наматываются из ряда параллельных прямоугольных проводников (от 4 до 20), прилегающих друг к другу в радиальном направлении. При большом количестве параллельные проводники могут располагаться также в каждом витке в несколько слоев в аксиальном направлении или же обмотка выполняется многоходовой, то есть параллельные проводники разбиваются на 2 – 4 группы и каждая группа образует самостоятельный винтовой ход обмотки.

Рисунок 6. Схемы частичной транспозиции параллельных проводников

Когда в радиальном направлении рядом располагается несколько параллельных проводников, то ток распределяется между ними неравномерно, что вызывает увеличение потерь. Причиной неравномерного распределения тока является то, что такие элементарные витки, состоящие из одного параллельного проводника, сцепляются с разными по значению магнитными потоками и в них индуктируются разные электродвижущие силы (э. д. с.). Такая разница в потокосцеплениях обусловлена магнитными потоками рассеяния, которые проходят в пространстве, занимаемом обмотками. Иными словами, можно сказать, что причиной увеличения потерь являются вихревые токи, индуктируемые магнитным полем в проводниках обмотки и вызывающие явление поверхностного эффекта. Вследствие этого активное сопротивление обмотки увеличивается.

Для обеспечения достаточно равномерного распределения тока между проводниками необходимо произвести транспозицию (перекладку) параллельных проводников, образующих виток (рисунок 6). При полной транспозиции каждый проводник занимает в радиальном направлении поочередно все положения, возможные в пределах одного витка. Часто производится только частичная транспозиция проводников. Транспозиция осуществляется в нескольких местах по высоте стержня.

Винтовыми выполняются обмотки низшего напряжения при S_ст ≥ 45 кВ×А, I_ст ≥ 300 А.

Непрерывная спиральная катушечная обмотка

Непрерывная спиральная катушечная обмотка (рисунок 7) выполняется из прямоугольного провода и состоит из нескольких десятков дискообразных катушек, причем катушки наматываются по спирали и соединяются друг с другом без пайки. Если виток состоит из нескольких параллельных проводников, то производится их транспозиция. Такие обмотки применяются при S_ст ≥ 60 кВ×А, I_ст ≥ 20 А, U_л.н ≥ 2 кВ.

Рисунок 7. Непрерывная спиральная катушечная обмотка

Последние два типа обмоток являются в механическом отношении наиболее устойчивыми и способны выдерживать значительные осевые усилия, так как состоят из дискообразных элементов, имеющих в радиальном направлении достаточные размеры.

Радиальные и аксиальные каналы между катушками и слоями обмотки образовываются путем установки прокладок и реек, склеенных и спрессованных из электротехнического картона. При небольших мощностях и невысоких напряжениях цилиндрические обмотки надеваются на стержень магнитопровода и крепятся относительно его деревянными клиньями и планками, которые играют также роль изоляции. В остальных случаях применяются мягкие изоляционные цилиндры из листов электротехнического картона или жесткие цилиндры из рулонного электротехнического картона на бакелитовом лаке.

Наружная и внутренняя обмотки также крепятся относительно друг друга с помощью реек. Изоляция между обмоткой и ярмом выполняется из колец, шайб и прокладок, изготовляемых из электротехнического картона. При высоких напряжениях в случае надобности между обмотками и баком трансформатора ставятся изоляционные барьеры из электротехнического картона.

В весьма мощных трансформаторах применяются также более сложные виды обмоток.

Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

Особенности, типы и виды обмоток трансформатора тока

Электромагнитное оборудование, которое содержит несколько обмоток, расположенных на одном проводе и связанных индуктивно, называют трансформатором. Прибор необходим для преобразования электроэнергии тока с помощью магнитной индукции без изменения его частоты. Разные виды обмоток трансформатора используют во многих сферах электрической техники и электроники.

• Принципы работы
• Силовой агрегат
• Сетевой прибор
• Особенности автотрансформатора
• Оборудование тока
• Импульсная конструкция
• Сфера применения

Принципы работы

У любого трансформатора в конструкции есть две или больше обмоток. Они связаны между собой электромагнитной индукцией, могут быть выполнены из проволоки или лент, покрытых слоем изоляции. Обмотки крепят на магнитопровод-сердечник, изготовленный из ферромагнитного мягкого материала. Если в устройстве всего один такой элемент, то оно называется автотрансформатором.

В конструкцию входят определённые детали:

• расширительный бак с крышкой;
• изолятор;
• магнитопровод (сердечник);
• радиаторы;
• две обмотки — низкого и высокого напряжения.

Принцип работы трансформаторов изучают ещё в школьном курсе физики, поэтому его легко понять даже школьнику. Первая обмотка получает напряжение, вследствие чего в ней начинает протекать переменный ток. Он создаёт в сердечнике магнитный поток, под воздействием которого в двух элементах появляется электродвижущая сила. Вторичная обмотка замыкается из-за нагрузки, после чего в ней тоже начинает протекать переменный ток, у которого параметры — напряжение и его кривая, частота и количество фаз — отличаются.

Разделяют несколько типов трансформаторов по определённым параметрам:

• количеству фаз — трех- и однофазные;
• числу обмоток — трех- и двухобмоточные;
• типу изоляции — масляные, сухие и с заполнителем, который не горит;
• виду охлаждения — с естественным и принудительным масляным, воздушным и с содержанием азотной подушки.

А также различают силовые, сетевые, автоматические, импульсные трансформаторы и устройства электрического тока. Они имеют отличия в конструкции, функциональности и принципах работы.

Силовой агрегат

Силовой трансформатор — это агрегат с низкими частотами, который применяется в электрических сетях для преобразования энергии. Своё название прибор получил из-за того, что он используется для приёма и передачи тока на ЛЭП, где показатель напряжения в некоторых случаях достигает 1200 кВ. В городах оно находится в пределах 10 кВ, именно благодаря силовым трансформаторам оно понижается до 0, 4 кВ (220 и 320 В), которые необходимы потребителям.

В конструкции прибора может находиться две и более обмоток, они расположены на броневом магнитопроводе, изготовленном из технической стали. Некоторые из элементов могут получать питание индивидуально. Это удобно при получении напряжения одновременно с нескольких генераторов.

Обычно силовое оборудование помещают в бак с маслом, иногда его дополняет система охлаждения. Устанавливают агрегат на подстанциях, большее распространение имеют трёхфазные трансформаторы, так как они сокращают потери энергии на 15%.

Сетевой прибор

Сетевые приборы — виды трансформаторов тока, которые появились ещё в 80-х годах. Именно это устройство может преобразовать бытовое напряжение в 220 В в показатель, потребляемый электроприборами — 48, 24, 12 или 5 вольт. Иногда агрегаты выполняются с несколькими вторичными обмотками, так можно использовать сразу несколько источников питания. В схемах любой радиолампы всегда присутствует сетевой трансформатор накаливания.

У современного оборудования сердечник имеет форму буквы Ш или стержня, изготовлен он из электротехнических стальных пластин, на которые навиваются обмотки. Трансформатор с компактными габаритами имеет тороидальный магнитопровод. При этом его мощность не уступает моделям с более крупными размерами и сердечниками других форм. К сетевым относят также сварочные устройства с мощностью до 6 кВт.

Особенности автотрансформатора

Если интересует, какие бывают трансформаторы, то среди низкочастотных можно выделить автоматическое оборудование. У таких агрегатов первичная обмотка является и вторичной одновременно. То есть элементы связаны не только индукцией, но и электричеством. С одной обмотки есть несколько выводов, поэтому она может давать одновременно разное напряжение. У прибора стоимость ниже, чем у остальных видов трансформаторов. Это обусловлено расходом меньшего количества проводов для одной обмотки, стали для магнитопровода и незначительной массы.

Автотрансформаторы применяются в приборах автоматического управления и высоковольтных сетях. Оборудование с обмотками, соединёнными в треугольник или звезду, очень востребованы в современных системах электричества. Силовые агрегаты обладают мощностью до 100−200 мВт. Целесообразно использовать их при маленьких коэффициентах трансформации.

Ещё один вид автотрансформатора — лабораторный прибор. С его помощью можно плавно контролировать напряжение перед его подачей потребителю. По конструкции это трансформатор с одной обмоткой, у которой есть неизолированные витки проводов. То есть появляется возможность подключиться к каждой петельке отдельно.

Установить контакт помогает скользящая щётка, которой можно управлять с помощью поворотной ручки. Во время нагрузки выходит напряжение разной величины, однофазные агрегаты выдают показатель от 0 до 250 В, а трёхфазные — до 450 вольт. В лабораториях используют менее мощные конструкции для настройки электрического оборудования.

Оборудование тока

Трансформатор тока — это прибор, первичная обмотка которого подключается к источнику питания, а вторичная присоединяется к измерительным устройствам с малым внутренним сопротивлением. Первый элемент — один провод или виток — включают в цепь последовательным путём для измерения переменного тока. При этом показатель вторичной обмотки, которая должна находиться под нагрузкой с высоким напряжением, способным пробить изоляцию, пропорционален первой. Если её разомкнуть, то магнитопровод просто сгорит от некомпенсированного тока.

В конструкции сердечник изготовлен из кремнистой холоднокатаной стали, на него намотана одна вторичная обмотка. Первичная деталь обычно представляет собой шину или провод с током, пропущенный через отверстие сердечника. Высокий коэффициент трансформации — это главное преимущество такого агрегата. Трансформаторы тока часто применяются для измерения электричества и в различных схемах защиты реле.

Так как цепи изолированы друг от друга, использование оборудования считается безопасным. Промышленные агрегаты выпускаются с несколькими группами вторичных обмоток. Одна из них подключается к защитному оборудованию, а вторая к устройству измерения — счётчику.

Импульсная конструкция

В сварочных аппаратах, блоках питания, инверторах и преобразователях тока с малой и средней мощностью установлены импульсные трансформаторы. Эти приборы уже давно вытеснили тяжёлое низкочастотное оборудование. Устройство имеет вид трансформатора с ферритовым сердечником в форме букв П или Ш, стержня, чашки или кольца. Их преимущество перед другими материалами состоит в возможности работать на частоте свыше 500 кГц.

Так как это высокочастотный агрегат, то и его размеры незначительные. На обмотку требуется меньше провода, а одного или нескольких полевых транзисторов будет достаточно для получения тока. Количество дополнительного оборудования зависит от топологии схем питания:

• прямоходовая — один прибор;
• двухтактная — 2;
• полумостовая — 2;
• мостовая — 4.

Трансформатор выполняет роль дросселя в случае, когда применяется обратноходовая схема питания. Ведь тогда процессы накопления и выдачи электрической энергии во вторичную цепь разделены определённым промежутком времени. Импульсные трансформаторы с ферритовыми сердечниками сегодня можно встретить практически везде. Они применяются в энергосберегающих лампах, сварочных аппаратах и инверторах, а также зарядных устройствах для мобильного телефона, ноутбука и планшета.

Импульсный агрегат тока необходим для измерения направления электричества. Оборудование основано на кольцевидном ферритовом сердечнике с одной обмоткой. Через кольцо пропускают провод, а элемент с витками получает нагрузку на резистор.

Производители выпускают разные модели трансформаторов, обладающие некоторыми отличиями в коэффициентах производительности. Чтобы узнать направление электричества, обмотку нагружают двумя встречными стабилитронами.

Сфера применения

Курс школьной физики дал ученикам некоторые понятия о работе и применении трансформаторов. Например, что потеря мощности всегда прямо пропорциональна квадрату силы электрического тока, поэтому нужно повышать напряжение для передачи электричества на значительное расстояние. Перед переходом тока к потребителям показатель, наоборот, необходимо понижать. Именно для этого и используют различные виды трансформаторов.

А также оборудование используется в схемах питания бытовой техники. Агрегаты с несколькими группами обмоток установлены в телевизорах, мониторах компьютеров. Они питают схемы, выполняют функции транзистора и кинескопа. Устройство трансформаторов также изучают ещё на школьных уроках.

Без трансформаторов электрические сети и некоторые виды оборудования не смогут нормально функционировать, поэтому необходимо хотя бы поверхностно знать устройство агрегатов, принципы их работы, особенности конструкции и отличия в разных моделях. Это позволит самостоятельно устранять неполадки в некоторой домашней технике, промышленном оборудовании и мобильных гаджетах.

Вопрос 2 Конструкция обмоток трансформатора

Обмоткой трансформатораназывают совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой складываются э. д. с., индуктированные в отдельных витках. Обмотки трансформатора состоят из обмоточного провода и изоляционных деталей, предусмотренных конструкцией, которые не только защищают витки от электрического пробоя и препятствуют их смещению под действием электромагнитных сил, но и создают необходимые каналы для охлаждения. Обмотки трансформаторов различных мощностей и напряжений различаются типом намотки, количеством витков, направлением намотки, числом параллельных проводов в витке, схемой соединения отдельных элементов обмотки между собой.

Обмотки трансформаторов выполняют из медных проводов круглого и прямоугольного сечения, изолированных хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой.

Конструкции обмоток по взаимному расположению и по способу их размещения на стержнях:

· концентрические (рис. 3, слева);

· дисковые(Чередующиеся) (рис. 3, справа).

В масляных трансформаторах магнитопровод с обмотками помещается в бак, заполненный маслом, которое отбирает от них тепло, передавая его стенкам бака. Кроме того, электрическая прочность масла выше, чем у воздуха, что обеспечивает более надежную работу высоковольтных трансформаторов.

Концентрические обмотки — это обмотки, изготовленные в виде цилиндров и концентрически расположенные на стержне магнитопровода.

Чередующиеся обмотки — это обмотки ВН и НН трансформатора, чередующиеся в осевом направлении на стержне. Чередующаяся обмотка обычно подразделяется на симметричные группы, каждая из которых состоит из одной или нескольких частей обмотки ВН и расположенных по обе стороны от них частей обмотки НН

Основным элементом обмоток трансформатора является виток,в котором наводится э.д. с. и который в зависимости от величины тока нагрузки может быть выполнен одним или несколькими параллельными проводами. Ряд витков, намотанных на цилиндрической поверхности, называется слоем.Число витков в одном слое может колебаться от одного до нескольких десятков.

По конструкции и способу намотки различают обмотки цилиндрические (одно- или многослойные), катушечные и винтовые. Существуют также одно- или двухвитковые листовые и шинные обмотки, используемые в специальных трансформаторах с большими вторичными токами.

Одно- или многослойная цилиндрическая обмотка получается при намотке одного (или нескольких) слоев из обмоточного провода прямоугольного или круглого сечения. Наиболее простой является однослойная обмотка из прямоугольного провода.Слой обмотки составляют витки, наматываемые по винтовой линии на бумажно-бакелитовый цилиндр. Каждый виток в слое укладывается вплотную к предыдущему в осевом направлении обмотки. Соединение между слоями обычно осуществляют переходом без пайки. Витки цилиндрической обмотки состоят из одного или нескольких параллельных проводов, располагаемых рядом и имеющих одинаковое положение по отношению к полю рассеяния трансформатора. Обычно обмотку из прямоугольного провода наматывают плашмя, но при необходимости возможна намотка и на ребро.

Между слоями двухслойной цилиндрической обмотки прокладывают изоляцию из бумаги или электрокартона или равномерно по окружности устанавливают несколько реек, образующих вертикальный охлаждающий канал.

Одно- и двухслойные цилиндрические обмотки из прямоугольного провода обычно применяют в качестве обмоток НН на напряжение до 525 В в трансформаторах мощностью до 630 кВ-А.

Многослойная цилиндрическая обмотка наматывается, как правило, из провода круглого сечения. Намотка осуществляется плотной укладкой витков одного к другому с переходами из слоя в слой. Намотку первого слоя обычно производят на бумажно-бакелитовом цилиндре. Между последующими слоями размещают несколько слоев кабельной бумаги. Для увеличения поверхности охлаждения между некоторыми слоями обмотки создается осевой канал, образованный рейками из электрокартона или бука. Такие многослойные обмотки применяют в качестве обмоток ВН для масляных трансформаторов мощностью до 400 кВ-А при напряжении до 35 кВ.

Обмотки силовых трансформаторов. Основные типы обмоток

Обмоткой трансформатора называют совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой складываются эдс, индуктированные в отдельных витках. Обмотки трансформатора состоят из обмоточного провода и изоляционных деталей, предусмотренных конструкцией, которые не только защищают витки от электрического пробоя и препятствуют их смещению под действием электромагнитных сил, но и создают необходимые каналы для охлаждения. Обмотки трансформаторов различных мощностей и напряжений различаются типом намотки, количеством витков, направлением намотки, числом параллельных проводов в витке, схемой соединения отдельных элементов обмотки между собой.

По взаимному расположению на стержне обмотки разделяются на концентрические и чередующиеся. Концентрические обмотки — это обмотки, изготовленные в виде цилиндров и концентрически расположенные на стержне магнитопровода. Чередующиеся обмотки — это обмотки ВН и НН трансформатора, чередующиеся в осевом направлении на стержне. На рисунке 1 показаны концентрическое и чередующееся расположения обмоток на стержне магнитопровода.

а — концентрическое, б — чередующееся; 1 — стержень магнитопровода, 2 — обмотка НН, 3 — обмотка ВН
Рисунок 1 — Расположение обмоток на стержне магнитопровода

Основным элементом обмоток трансформатора является виток, в котором наводится эдс и который в зависимости от величины тока нагрузки может быть выполнен одним или несколькими параллельными проводами. Ряд витков, намотанных на цилиндрической поверхности, называется слоем. Число витков в одном слое может колебаться от одного до нескольких десятков.

Одно- или многослойная цилиндрическая обмотка получается при намотке одного (или нескольких) слоев из обмоточного провода прямоугольного или круглого сечения. Наиболее простой является однослойная обмотка из прямоугольного провода (рисунок 2, а). Слой обмотки составляют витки, наматываемые по винтовой линии на бумажно-бакелитовый цилиндр. Каждый виток в слое укладывается вплотную к предыдущему в осевом направлении обмотки. Витки цилиндрической обмотки состоят из одного или нескольких параллельных проводов, располагаемых рядом и имеющих одинаковое положение по отношению к полю рассеяния трансформатора. Обычно обмотку из прямоугольного провода наматывают плашмя, но при необходимости возможна намотка и на ребро.

а — однослойная, б — двухслойная, в — многослойная из круглого провода; 1 — витки из прямоугольного провода, 2 — разрезные выравнивающие кольца, 3 — бумажно-бакелитовый цилиндр, 4 — выводной конец первого слоя обмотки, 5 — вертикальные рейки, 6 — внутренние ответвления обмотки
Рисунок 2 — Цилиндрические обмотки

Для выравнивания винтовой поверхности крайних витков к ним прикрепляют разрезные бумажно-бакелитовые кольца (в виде «клина»), которые придают обмотке форму цилиндра. Эти кольца предохраняют витки от механических повреждений и создают опорную поверхность обмотки.

Между слоями двухслойной цилиндрической обмотки (рисунок 2, б) прокладывают изоляцию из бумаги или электрокартона или равномерно по окружности устанавливают несколько реек, образующих вертикальный охлаждающий канал. Соединение между слоями обычно осуществляют переходом без пайки.

Одно- и двухслойные цилиндрические обмотки из прямоугольного провода обычно применяют в качестве обмоток НН на напряжение до 690 В в трансформаторах мощностью до 630 кВА.

Многослойная цилиндрическая обмотка (рисунок 2, в) наматывается, как правило, из провода круглого сечения. Намотка осуществляется плотной укладкой витков одного к другому с переходами из слоя в слой. Намотку первого слоя обычно производят на бумажно-бакелитовом цилиндре. Между последующими слоями размещают несколько слоев кабельной бумаги. Для увеличения поверхности охлаждения между некоторыми слоями обмотки создается осевой канал, образованный рейками из электрокартона или бука. Такие многослойные обмотки применяют в качестве обмоток ВН для масляных трансформаторов мощностью до 400 кВА при напряжении до 35 кВ.

Винтовая обмотка (ее иногда называют спиральной) состоит из ряда витков, наматываемых по винтовой линии, с каналами между ними. Каждый виток состоит из одного (очень редко) или нескольких одинаковых прямоугольных проводов, располагаемых плашмя вплотную друг к другу в радиальном направлении. Общее число параллельных проводов в винтовых обмотках может достигать 100 и более (в мощных трансформаторах). В зависимости от тока и соответственно числа параллельных проводов винтовая обмотка может выполняться одноходовой, как показано на рисунке 3, а, или многоходовой, т. е. вся обмотка может состоять из двух и более отдельных винтовых обмоток, вмотанных одна в другую в процессе изготовления (рисунок 3, б). Каждый такой «ход» может состоять из 4—40 параллельных проводов.

а) б)

а — из одного провода в витке, б – из нескольких параллельных проводов в витке
Рисунок 3 – Винтовая обмотка

Винтовые обмотки наматываются на бумажно-бакелитовые цилиндры или специальные оправки. После намотки обмотку снимают с оправки и отправляют на дальнейшую технологическую обработку. Однако в любом случае вертикальный канал вдоль внутренней поверхности винтовой обмотки и каналы между ее витками образуются рейками и прокладками из электрокартона.

Параллельные провода винтовой обмотки расположены концентрически и находятся на разном расстоянии от ее оси. Поэтому, если не принять специальных мер, провода, расположенные ближе к оси, будут короче, а более удаленные от нее — длиннее. Кроме того, положение в магнитном поле рассеяния этих проводов будет различным, т. е. все они будут иметь неодинаковые активные и реактивные сопротивления и, следовательно, распределение тока между ними окажется различным.

Для равномерного распределения тока между параллельными проводами и уменьшения добавочных потерь винтовые обмотки делают с транспозициями (перекладками проводов в процессе намотки). При перекладках стремятся, чтобы транспозиция была совершенной, т. е. чтобы каждый провод попеременно занимал все положения, возможные в пределах одного витка.

В винтовых обмотках применяют различные виды транспозиций. В одноходовой обмотке с числом проводов до 12 обычно применяют комбинацию из двух видов транспозиции (рисунок 4): групповую, когда параллельные провода делятся на две группы и обе эти группы меняются местами, и общую, когда изменяется взаимное расположение всех параллельных проводов. На рисунке 5 схематически показан этот способ перекладки проводов. Каждый виток имеет четыре параллельных провода (1—4), которые на расстоянии 1/4 и 3/4 высоты обмотки разделяются на равные группы, меняющиеся местами (рисунок 4, а); эти транспозиции называют групповыми. В середине обмотки производят общую перекладку, когда все провода меняются местами.

а – групповая, б – общая (показана часть транспозиции)
Рисунок 4 – Транспозиции проводов в витковых обмотках

1-4 – провода
Рисунок 5 – Схема транспозиции в винтовой обмотке из четырех параллельных проводов

При числе параллельных проводов более 12 в одноходовой обмотке эффективна и широко применяется транспозиция Бюда; в двухходовой винтовой обмотке часто выполняют равномерно распределенную транспозицию, когда число перестановок в обмотке обычно равно числу параллельных проводов.

Винтовая обмотка имеет значительную торцевую поверхность, позволяющую обеспечить ее устойчивость к осевым усилиям при коротких замыканиях; она обладает хорошей механической прочностью и развитой поверхностью охлаждения. Поэтому ее широко применяют для обмоток НН, имеющих относительно небольшое число витков, при больших токах в трансформаторах мощностью 1000 кВА и выше.

В последнее время все более широкое распространение получают винтовые обмотки из транспонированного провода, где элементарные проводники с лаковой изоляцией меняются местами в процессе изготовления самого провода. Такие обмотки технологичны, имеют низкие добавочные потери и высокую механическую прочность.

Непрерывные обмотки (рисунок 6) особенно широко применяют для трансформаторов. Они состоят из отдельных катушек (секций), намотанных из прямоугольного провода, причем в каждой катушке может быть несколько витков. На рисунке 7 показана часть такой катушки с двумя витками: витки здесь выполнены двумя параллельными проводами. Обмотку такого типа называют непрерывной потому, что ее наматывают без разрывов, т. е. переход из одной катушки в другую производится непрерывно, без паек. Для этого перекладывают витки каждой второй катушки так, чтобы один переход (из катушки в катушку) был снаружи обмотки, а второй — внутри (рисунок 8).

Рисунок 6 – Непрерывная обмотка

Рисунок 7 — Часть катушки непрерывной обмотки с двумя параллельными проводами в витке

1 — наружный, 2 — внутренний
Рисунок 8 — Переходы в катушках непрерывной обмотки

В непрерывной обмотке может быть до четырех и даже шести параллельных проводов в витке. В ней тоже производят транспозицию проводов, однако выполняют ее в каждой катушке при переходе проводов из одной катушки в другую. В непрерывных обмотках особенно удобно выполнять ответвления для регулирования напряжения. Их делают обычно от наружных (реже — внутренних) переходов так, чтобы между двумя соседними ответвлениями размещались витки, соответствующие ступени регулирования. Непрерывные обмотки отличаются высокой механической прочностью и надежностью, поэтому их широко применяют как для обмоток НН, так и для обмоток ВН у трансформаторов различных мощностей и напряжений.

Обмотки трансформатора изолируют от заземленных частей (магнитопровода, бака) и от других обмоток. Эту изоляцию обмоток называют главной. Кроме главной имеется продольная изоляция обмоток. Продольной называют изоляцию между отдельными элементами данной обмотки — витками, катушками, слоями и др.; она выполняется при изготовлении обмотки и здесь не рассматривается. Главная изоляция, наоборот, почти вся устанавливается при сборке трансформаторов, поэтому кратко рассмотрим ее основные элементы.

Изоляция обмоток от верхнего и нижнего ярм обеспечивается масляными каналами и барьерами, образуемыми так называемой ярмовой изоляцией, перекрывающей поверхность ярма, обращенную к обмоткам. Ярмовая изоляция представляет собой электрокартонную шайбу (барьер) 1 (рисунок 9) с прикрепленными к ней прокладками 2 из прессованного электрокартона, создающими необходимый масляный промежуток.

1 — шайба, 2 — прокладка, 3 — заклепка
Рисунок 9 — Ярмовая изоляция трансформатора

При Т-образном сечении ярма для выравнивания полки ярмовой балки с плоскостью ярма применяют так называемую уравнительную изоляцию, заполняющую промежуток между ярмовой балкой и ярмовой изоляцией; ее выполняют из бука, березы или электрокартона (рисунок 10). Уравнительная изоляция из электрокартона образуется пластинами, имеющими форму подковы и сегмента, к которым с двух сторон прикреплены прокладки.

а — из дерева, б — из электрокартона; 1 — продольная планка, 2 — отверстие, 3 — поперечная планка, 4— пластина, 5 — электрокартонная прокладка
Рисунок 10 — Уравнительная изоляция трансформаторов I—III габаритов

В трансформаторах I и II габаритов на напряжение до 15 кВ размер изоляционного промежутка от обмотки до ярм невелик, поэтому у них ярмовая и уравнительная изоляции совмещены и выполнены из деревянных планок или электрокартонных деталей простой формы.

Трансформатор

Слово “трансформатор” образуется от английского слова “transform” – преобразовывать, изменяться. Но дело в том, что сам трансформатор не может как-либо измениться либо поменять форму и так далее. Он обладает еще более удивительный свойством – преобразует переменное напряжение одного значения в переменное напряжение другого значения. Ну разве это не чудо? В этой статье мы будем рассматривать именно трансформаторы напряжения.

Трансформатор напряжения

Трансформатор напряжения можно отнести больше к электротехнике, чем к электронике. Самый обыкновенный однофазный трансформатор напряжения выглядит вот так.

Если откинуть верхнюю защиту трансформатора, то мы можем четко увидеть, то он состоит из какого-то железного каркаса, который собран из металлических пластин, а также из двух катушек, которые намотаны на этот железный каркас. Здесь мы видим, что из одной катушки выходит два черных провода

а с другой катушки два красных провода

Эти обе катушки одеваются на сердечник трансформатора. То есть в результате мы получаем что-то типа этого

Ничего сложного, правда ведь?

Но дальше самое интересное. Если подать на одну из этих катушек переменное напряжение, то в другой катушке тоже появляется переменное напряжение. Но как же так возможно? Ведь эти обмотки абсолютно не касаются друг друга и они изолированы друг от друга. Во чудеса! Все дело, в так называемой электромагнитной индукции.

Если объяснить простым языком, то когда на первичную обмотку подают переменное напряжение, то в сердечнике возникнет переменное магнитное поле с такой же частой. Вторая катушка улавливает это переменное магнитное поле и уже выдает переменное напряжение на своих концах.

Обмотки трансформатора

Эти самые катушки с проводом в трансформаторе называются обмотками. В основном обмотки состоят из медного лакированного провода. Такой провод находится в лаковой изоляции, поэтому, провод в обмотке не коротит друг с другом. Выглядит такой обмоточный трансформаторный провод примерно вот так.

Он может быть разного диаметра. Все зависит от того, на какую нагрузку рассчитан тот или иной трансформатор.

У самого простого однофазного трансформатора можно увидеть две такие обмотки.

Обмотка, на которую подают напряжение называется первичной. В народе ее еще называют “первичка”. Обмотка, с которой уже снимают напряжение называется вторичной или “вторичка”.

Для того, чтобы узнать, где первичная обмотка, а где вторичная, достаточно посмотреть на шильдик трансформатора.

I/P: 220М50Hz (RED-RED) – это говорит нам о том, что два красных провода – это первичная обмотка трансформатора, на которую мы подаем сетевое напряжение 220 Вольт. Почему я думаю, что это первичка? I/P – значит InPut, что в переводе “входной”.

O/P: 12V 0,4A (BLACK, BLACK) – вторичная обмотка трансформатора с выходным напряжением в 12 Вольт (OutPut). Максимальная сила тока, которую может выдать в нагрузку этот трансформатор – это 0,4 Ампера или 400 мА.

Как работает трансформатор

Чтобы разобраться с принципом работы, давайте рассмотрим рисунок.

Здесь мы видим простую модель трансформатора. Подавая на вход переменное напряжение U₁ в первичной обмотке возникает ток I₁ . Так как первичная обмотка намотана на замкнутый магнитопровод, то в нем начинает возникать магнитный поток, который возбуждает во вторичной обмотке напряжение U₂ и ток I₂ . Как вы можете заметить, между первичной и вторичной обмотками трансформатора нет электрического контакта. В электронике это называется гальванически развязаны.

Формула трансформатора

Главная формула трансформатора выглядит так.

U₂ – напряжение на вторичной обмотке

U₁ – напряжение на первичной обмотке

N₁ – количество витков первичной обмотки

N₂ – количество витков вторичной обмотки

k – коэффициент трансформации

В трансформаторе соблюдается также закон сохранения энергии, то есть какая мощность заходит в трансформатор, такая мощность выходит из трансформатора:

Эта формула справедлива для идеального трансформатора. Реальный же трансформатор будет выдавать на выходе чуть меньше мощности, чем на его входе. КПД трансформаторов очень высок и порой составляет даже 98%.

Типы трансформаторов по конструкции

Однофазные трансформаторы

Это трансформаторы, которые преобразуют однофазное переменное напряжение одного значения в однофазное переменное напряжение другого значения.

В основном однофазные трансформаторы имеют две обмотки, первичную и вторичную. На первичную обмотку подают одно значение напряжения, а со вторичной снимают нужное нам напряжение. Чаще всего в повседневной жизни можно увидеть так называемые сетевые трансформаторы, у которых первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение, то есть 220 В.

На схемах однофазный трансформатор обозначается так:

Первичная обмотка слева, а вторичная – справа.

Иногда требуется множество различных напряжений для питания различных приборов. Зачем ставить на каждый прибор свой трансформатор, если можно с одного трансформатора получить сразу несколько напряжений? Поэтому, иногда вторичных обмоток бывает несколько пар, а иногда даже некоторые обмотки выводят прямо из имеющихся вторичных обмоток. Такой трансформатор называется трансформатором со множеством вторичных обмоток. На схемах можно увидеть что-то подобное:

Трехфазные трансформаторы

Эти трансформаторы в основном используются в промышленности и чаще всего превосходят по габаритам простые однофазные трансформаторы. Почти все трехфазные трансформаторы считаются силовыми. То есть они используются в цепях, где нужно питать мощные нагрузки. Это могут быть станки ЧПУ и другое промышленное оборудование.

На схемах трехфазные трансформаторы обозначаются вот так:

Первичные обмотки обозначаются заглавными буквами, а вторичные обмотки – маленькими буквами.

Здесь мы видим три типа соединения обмоток (слева-направо)

• звезда-звезда
• звезда-треугольник
• треугольник-звезда

В 90% случаев используется именно звезда-звезда.

Типы трансформаторов по напряжению

Понижающий трансформатор

Это трансформатор, которые понижает напряжение. Допустим, на первичную обмотку мы подаем 220 Вольт, а снимаем 12 Вольт. В этом случае коэффициент трансформации (k) будет больше 1.

Повышающий трансформатор

Это трансформатор, который повышает напряжение. Допустим, на первичную обмотку мы подаем 10 Вольт, а со вторичной снимаем уже 110 В. То есть мы повысили наше напряжение 11 раз. У повышающих трансформаторов коэффициент трансформации меньше 1.

Разделительный или развязывающий трансформатор

Такой трансформатор используется в целях электробезопасности. В основном это трансформатор с одинаковым числом обмоток на входе и выходе, то есть его напряжение на первичной обмотке будет равняться напряжению на вторичной обмотке. Нулевой вывод вторичной обмотки такого трансформатора не заземлен. Поэтому, при касании фазы на таком трансформаторе вас не ударит электрическим током. Про его использование можете прочесть в статье про ЛАТР. У развязывающих трансформаторов коэффициент трансформации равен 1.

Согласующий трансформатор

Такой трансформатор используется для согласования входного и выходного сопротивления между каскадами схем.

Работа понижающего трансформатора на практике

Понижающий трансформатор – это такой трансформатор, который выдает на выходе напряжение меньше, чем на входе. Коэффициент трансформации (k) у таких трансформаторов больше 1 . Понижающие трансформаторы – это самый распространенный класс трансформаторов в электротехнике и электронике. Давайте же рассмотрим, как он работает на примере трансформатора 220 В —> 12 В .

Итак, имеем простой однофазный понижающий трансформатор.

Именно на нем мы будем проводить различные опыты.

Подключаем красную первичную обмотку к сети 220 Вольт и замеряем напряжение на вторичной обмотке трансформатора без нагрузки. 13, 21 Вольт, хотя на трансформаторе написано, что он должен выдавать 12 Вольт.

Теперь подключаем нагрузку на вторичную обмотку и видим, что напряжение просело.

Интересно, какую силу тока кушает наша лампа накаливания? Вставляем мультиметр в разрыв цепи и замеряем.

Если судить по шильдику, то на нем написано, что он может выдать в нагрузку 400 мА и напряжение будет 12 Вольт, но как вы видите, при нагрузку близкой к 400 мА у нас напряжение просело почти до 11 Вольт. Вот тебе и китайский трансформатор. Нагружать более, чем 400 мА его не следует. В этом случае напряжение просядет еще больше, и трансформатор будет греться, как утюг.

Как проверить трансформатор

Как проверить на короткое замыкание обмоток

Хотя обмотки прилегают очень плотно к друг другу, их разделяет лаковый диэлектрик, которым покрываются и первичная и вторичная обмотка. Если где-то возникло короткое замыкание между проводами, то трансформатор будет сильно греться или издавать сильный гул при работе. Также он будет пахнуть горелым лаком. В этом случае стоит замерить напряжение на вторичной обмотке и сравнить, чтобы оно совпадало с паспортным значением.

Проверка на обрыв обмоток

При обрыве все намного проще. Для этого с помощью мультиметра мы проверяем целостность первичной и вторичной обмотки. Итак, сопротивление первичной обмотки нашего трансформатора чуть более 1 КОм. Значит обмотка целая.

Таким же образом проверяем и вторичную обмотку.

Отсюда делаем вывод, что наш трансформатор жив и здоров.

Похожие статьи по теме “трансформатор”

ОБМОТКИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Тип обмоток увязывают с электромагнитными и тепловыми характеристиками конструируемого трансформатора. Элементом обмотки является виток, сечение которого выбирают в зависимости от номинального тока. При малых токах применяют провода круглого сечения, при больших токах — прямоугольного сечения. Витки обмотки группируют в катушки, образующие обмотку в делом. В зависимости от намотки катушки могут быть цилиндрической формы, когда каждый следующий виток укладывается рядом с предыдущим, и плоской формы в виде диска, когда каждый следующий виток укладывают поверх предыдущего. Обмотки из цилиндрических катушек называются цилиндрическими обмотками, а состоящие из дисковых катушек — дисковыми обмотками.

Существуют два направления (способа) намотки обмоток — левое и правое. Направление намотки однослойной обмотки принято считать левым, если уклон ее витков совпадает с левой резьбой винта, и правым, если уклон витков совпадает с правой резьбой винта (рис. 2.7). У многослойных обмоток о направлении намотки судят по первому слою. При отсутствии особых требований обмотки выполняют только с левым направлением намотки.

Левый (а) и правый (б) способы намотки цилиндрической обмотки

Однослойные и двухслойные цилиндрические обмотки, витки которых состоят из нескольких параллельных проводников прямоугольного сечения, применяют в качестве обмоток НН на номинальный ток до 800 А. В двухслойной обмотке между слоями устраивают охлаждающий канал (рис. 2.8). Многослойные цилиндрические обмотки применяют в качестве обмоток ВН напряжением до 35 кВ. Охлаждающий канал устраивают после намотки приблизительно третьей части от общего числа слоев.

Двухслойная и многослойная цилиндрические обмотки

Непрерывная дисковая (а) и винтовая (б) обмотки

Если многослойную цилиндрическую обмотку разбить в осевом направлении на несколько последовательно соединенных катушек, устраивая между ними каналы охлаждения, то получают многослойную катушечную обмотку, которую применяют в трансформаторах до 1000 кВА с высшим напряжением 10 и 35 кВ.

В крупных трансформаторах на напряжение до 35 кВ и выше применяют непрерывные дисковые (спиральные) обмотки, состоящие из дисковых катушек (рис. 2.9а). Винтовые обмотки (рис. 2.96) применяют при малом числе витков и больших токах, т. е. как обмотки НН крупных трансформаторов. По принципу намотки они похожи на слоевую обмотку, витки которой состоят из нескольких параллельно включенных проводов прямоугольного сечения. Отличие состоит в том, что в слоевой обмотке параллельные провода укладывают рядом, а в винтовой обмотке — один на другой. Кроме того, между отдельными витками в винтовой обмотке имеются каналы охлаждения. Непрерывные дисковые и винтовые обмотки отличаются от слоевых обмоток большей механической прочностью в осевом направлении.

Расположенные в радиальном направлении проводники винтовой обмотки имеют неодинаковую длину и находятся в поле рассеяния разной индукции. Если не выполнять транспозицию проводников витка — перекладывание по отдельности или группами, то активные и индуктивные сопротивления каждого из параллельных проводов будут различными, что приведет к неравномерному распределению тока по проводникам. Транспозиция проводников витка исключает неравномерное распределение тока.

Проводниковые материалы, применяемые в трансформаторах, изготовляют из электротехнической меди и алюминия. Электротехническая медь, получаемая электролизом, отличается высокой чистотой и хорошим качеством. Она имеет низкое удельное электрическое сопротивление 0,0175 мкОм-м при 20°С (плотность 8,96 г/см 3 при 20°С). Алюминий уступает меди по электропроводности и механической прочности. Его удельное электрическое сопротивление в 1,65 раза больше удельного сопротивления меди. Однако низкая стоимость, малая плотность (2,7 г/см 3 ) и сравнительно низкое электрическое сопротивление позволяют использовать его для изготовления проводов, применяемых в обмотках силовых трансформаторов начальных габаритов.

Для обмоток трансформаторов применяют медные провода (первая буква в обозначении П) и алюминиевые провода (первые буквы в обозначении АП) марок ПБ, ПБУ, ПБД, ПЭЛ, ПСД, АПБ, АПБУ, АПБД и др. В обозначении проводов: Б — провод, изолированный лентами кабельной или телефонной бумаги, БУ — провод, изолированный лентами высоковольтной кабельной уплотненной бумаги, БД — провод, изолированный двумя слоями нитей из хлопчатобумажной пряжи, ЭЛ — эмалированный лакостойкий провод, СД — провод, изолированный двумя слоями стекловолокна, пропитанного лаком.

Для изготовления отводов и ответвлений обмоток применяют гибкие провода с медной жилой круглого сечения марок ПБОТ, медные и алюминиевые шины и прутки. Жила провода марки ПБОТ состоит из тонких медных проволок, изолирована большим количеством слоев кабельной бумаги. В зависимости от толщины бумажной изоляции эти провода маркируют ПБОТ-3, ПБОТ-6 и ПБОТ-8 (цифры в обозначении марок проводов указывают толщину изоляции на одну сторону) и выпускают сечением 16, 25, 50, 70, 95, 120, 150, 240, 300, 400 мм 2 и более. Для улучшения качества обмоток и облегчения работ при их намотке с большим числом проводов в витке применяют подразделенные провода ПБП.

Электроизоляционные материалы обмоток и других токоведущих частей трансформатора должны обладать большим удельным объемным и поверхностным сопротивлением, достаточной электрической прочностью, характеризоваться малыми диэлектрическими потерями. Все это должно сочетаться с рядом других свойств, обеспечивающих их длительную работу, — нагревостойкостыо, механической прочностью, эластичностью, масло- и влагостойкостью.

Большинство изоляционных материалов, применяемых в трансформаторах, относятся к классу нагревостой- кости А с предельно допустимой температурой нагрева 105°С. Это волокнистые материалы из хлопка или натурального и искусственного шелка, пропитанные или погруженные в жидкий диэлектрик, электроизоляционные бумаги, электрокартон, электроизоляционные лаки, изоляционные ленты, электротехнический гетинакс и текстолит, стеклотекстолит, бумажно-бакелитовые изделия, фарфор, другие материалы.

К электроизоляционным материалам относят и трансформаторное масло. Электрическая прочность изоляционных материалов, погруженных в масло, возрастает, а увеличение коэффициента теплоотдачи при конвективном теплообмене позволяет повысить электромагнитные нагрузки, следовательно, и увеличить мощность трансформатора.

Работа трансформатора сопровождается старением изоляционных материалов — потерей механической прочности. Старение тем интенсивнее, чем выше нагрев частей

Допустимые превышения температуры частей трансформатора