Трансформатором називається статичне електромагнітне пристрій, що містить від двох до декількох обмоток, розташованих на загальному магнітопроводі, і індуктивно пов'язаних, таким чином, між собою. Служить трансформатор для перетворення електричної енергії змінного струму за допомогою електромагнітної індукції без зміни частоти струму. Використовують трансформатори як для перетворення змінної напруги, так і для гальванічної розв'язки в різних сферах електротехніки та електроніки.

Справедливості заради відзначимо, що в деяких випадках трансформатор може містити і всього одну обмотку (автотрансформатор), а сердечник може і зовсім відсутні (ВЧ - трансформатор), проте в більшості своїй трансформатори мають сердечник (магнітопровід) з магнітомягкого феромагнітного матеріалу , І дві або більше ізольовані стрічкові або дротові обмотки, що охоплюються загальним магнітним потоком, але про все по порядку. Розглянемо, які ж бувають види трансформаторів, як вони влаштовані і для чого застосовуються.

силовий трансформатор

Даний вид низькочастотних (50-60 Гц) трансформаторів служить в електричних мережах, а також в установках прийому і перетворення електричної енергії. Чому називається силовою? Тому що саме цей тип трансформаторів застосовується для подачі і прийому електроенергії на ЛЕП та з ЛЕП, де напруга може досягати 1150 кВ.

У міських електромережах напруга досягає 10 кВ. За допомогою саме силових низькочастотних трансформаторів напруга також і знижується до 0,4 кВ, 380/220 вольт, необхідних споживачам.

Конструктивно типовий силовий трансформатор може містити дві, три або більше обмоток, розташованих на броньовий сердечнику з електротехнічної сталі, причому деякі з обмоток нижчої напруги можуть харчуватися паралельно (трансформатор з розщепленими обмотками).

Це зручно для підвищення напруги, одержуваного одночасно з декількох генераторів. Як правило, силовий трансформатор поміщений в бак з трансформаторним маслом, а в разі особливо потужних примірників додається система активного охолодження.

Трансформатори силові трифазні потужністю до 4000 кВА встановлюються на підстанціях і електростанціях. Більш поширені трифазні, оскільки втрати виходять до 15% менше, ніж з трьома однофазними.

трансформатор мережевий

Мережеві трансформатори ще в 80-е і 90-е роки можна було зустріти практично в будь-якому електроприладі. За допомогою саме мережевого трансформатора (зазвичай однофазного) напруга побутової мережі 220 вольт з частотою 50 Гц знижується до рівня, необхідного електроприладу, наприклад 5, 12, 24 або 48 вольт.

Часто мережеві трансформатори виконуються з декількома вторинними обмотками, щоб кілька джерел напруги можна було б використовувати для харчування різних частин схеми. Зокрема, трансформатори ТН (трансформатор накальний) завжди можна було (та й зараз можна) зустріти в схемах, де були присутні радіолампи.

Сучасні мережеві трансформатори конструктивно виконуються на Ш-образних, стрижневих або тороїдальних сердечниках з набору пластин електротехнічної сталі, на які і навиваются обмотки. Тороїдальна форма муздрамтеатру дозволяє отримати більш компактний трансформатор.

Якщо порівняти трансформатори рівній габаритної потужності на тороідальному і на Ш-подібному сердечниках, то тороидальний буде займати менше місця, до того ж площа поверхні тороїдального магнітопроводу повністю охоплюється обмотками, немає порожнього ярма, як у випадку з броньовим Ш-образним або стрижневим сердечниками. До мережевим можна віднести зокрема і зварювальні трансформатори потужністю до 6 кВт. Мережеві трансформатори, звичайно, відносяться до низькочастотних трансформаторів.

автотрансформатор

Однією з різновидів низькочастотного трансформатора є автотрансформатор, у якого вторинна обмотка є частиною первинної або первинна є частиною вторинної. Тобто в автотрансформаторі обмотки пов'язані не тільки магнітно, але і електрично. Кілька висновків робляться від єдиною обмотки, і дозволяють за все з однієї обмотки отримати різну напругу.

Головна перевага автотрансформатора - менша вартість, оскільки витрачається менше дроти для обмоток, менше стали для сердечника, в результаті і вага виходить менше, ніж у звичайного трансформатора. Недолік - відсутність гальванічної розв'язки обмоток.

Автотрансформатори знаходять застосування в пристроях автоматичного управління, а також широко використовуються в високовольтних електромережах. Трифазні автотрансформатори з з'єднанням обмоток в трикутник або в зірку в електричних мережах вельми затребувані сьогодні.

Силові автотрансформатори випускаються на потужності аж до сотень мегават. Застосовують автотрансформатори і для пуску потужних двигунів змінного струму. Автотрансформатори особливо доцільні при невисоких коефіцієнтах трансформації.

лабораторний автотрансформатор

Окремим випадком автотрансформатора є лабораторний автотрансформатор (ЛАТР). Він дозволяє плавно регулювати напругу, що подається до споживача. Конструкція ЛАТРа є тороїдальний трансформатор з єдиною обмоткою, яка має неізольовану «доріжку» від витка до витка, тобто є можливість підключення до кожного з витків обмотки. Контакт з доріжкою забезпечується ковзної вугільної щіткою, яка управляється поворотною ручкою.

Так можна отримати на навантаженні чинне напруга різної величини. Типові однофазні ЛАТР дозволяють отримувати напругу від 0 до 250 вольт, а трифазні - від 0 до 450 вольт. ЛАТР потужністю від 0,5 до 10 кВт дуже популярні в лабораторіях для цілей налагодження електроустаткування.

Трансформатор струму

трансформатором струму називається трансформатор, первинна обмотка якого підключається до джерела струму, а вторинна - до захисних або вимірювальних приладів, які мають малі внутрішні опору. Найбільш поширеним типом трансформатора струму є вимірювальний трансформатор струму.

Первинна обмотка трансформатора струму (зазвичай - всього один виток, один провід) включається послідовно в ланцюг, в якій потрібно виміряти змінний струм. Виходить в результаті, що струм вторинної обмотки пропорційний току первинної, при цьому вторинна обмотка обов'язково повинна бути навантажена, бо інакше напруга вторинної обмотки може вийти досить високим, щоб пробити ізоляцію. Крім того, якщо вторинну обмотку ТТ розімкнути, то муздрамтеатр просто вигорить від наведених некомпенсованих струмів.

Конструкція трансформатора струму являє собою сердечник з шіхтованной кременистої холоднокатаної електротехнічної сталі, на який намотана одна або декілька ізольованих обмоток, є вторинними. Первинна обмотка найчастіше - просто шина, або пропущений через вікно муздрамтеатру провід з вимірюваним струмом (на цьому принципі, до речі, працюють струмові кліщі ). Головна характеристика трансформатора струму - коефіцієнт трансформації, наприклад 100/5 А.

Для вимірювання струму і в схемах релейного захисту трансформатори струму застосовуються досить широко. Вони безпечні, оскільки вимірювана і вторинна ланцюга гальванічно ізольовані один від одного. Зазвичай промислові трансформатори струму випускаються з двома або більше групами вторинних обмоток, одна з яких підключається до захисних пристроїв, інша - до пристрою вимірювання, наприклад до лічильників.

імпульсний трансформатор

Майже у всіх сучасних мережевих блоках харчування, в різноманітних инверторах, в зварювальних апаратах, і в інших силових і малопотужних електричних перетворювачах застосовуються імпульсні трансформатори. Сьогодні імпульсні схеми майже повністю витіснили важкі низькочастотні трансформатори з сердечниками з шіхтованной стали.

Типовий імпульсний трансформатор являє собою трансформатор виконаний на ферритовом осерді. Форма сердечника (магнітопровода) може бути абсолютно різною: кільце, стрижень, чашка, Ш-подібний, П-подібний. Перевага феритів перед трансформаторної сталлю очевидно - трансформатори на фериті можуть працювати на частотах до 500 і більше кГц.

Оскільки імпульсний трансформатор є високочастотним трансформатором, то і габарити його з ростом частоти значно знижуються. На обмотки потрібно менше дроти, а для отримання високочастотного струму в первинної ланцюга досить польового, IGBT або біполярного транзистора, іноді - кількох, залежно від топології імпульсної схеми живлення (прямоходового - 1, двухтактная - 2, півмостова - 2, бруківка - 4).

Справедливості заради відзначимо, що якщо застосовується обратноходового схема харчування, то трансформатор по суті є здвоєним дроселем, оскільки процеси накопичення і віддачі електроенергії у вторинну ланцюг розділені в часі, тобто вони протікають не одночасно, тому при обратноходового схемою управління це все ж дросель, а НЕ трансформатор.

Імпульсні схеми з трансформаторами і дроселями на феррите зустрічаються сьогодні всюди, починаючи від баластів енергозберігаючих ламп і зарядних пристроїв різних гаджетів, закінчуючи зварювальними апаратами і потужними инверторами.

Імпульсний трансформатор струму

Для вимірювання величини і (або) напрямку струму в імпульсних схемах часто застосовують імпульсні трансформатори струму, що представляють собою феритовий сердечник, найчастіше - кільцевої (тороидальний), з єдиною обмоткою. Через кільце сердечника протягують провід, ток в якому потрібно досліджувати, а саму обмотку навантажують на резистор.

Наприклад, кільце міститься 1000 витків дроту, тоді співвідношення струмів первинної (протягнуто дріт) і вторинної обмотки буде 1000 К 1. Якщо обмотка кільця навантажена на резистор відомого номіналу, то виміряна напруга на ньому буде пропорційно току обмотки, а значить вимірюваний струм в 1000 разів більше струму через цей резистор.

Промисловістю випускаються імпульсні трансформатори струму з різними коефіцієнтами трансформації. Розробнику залишається тільки підключити до такого трансформатора резистор і схему вимірювання. Якщо потрібно дізнатися напрямок струму, а не його величину, то обмотка трансформатора струму навантажується просто двома зустрічними стабілітронами.

Зв'язок між електричними машинами і трансформаторами

В курси електричних машин, що вивчаються на всіх електротехнічних спеціальностей навчальних закладів, включають завжди і електричні трансформатори. По суті, електричний трансформатор - неелектричних машина, а електричний апарат, так як він не має рухомих частин, наявність яких є характерною ознакою будь-якої машини як різновиду механізму. З цієї причини згадані курси варто було б, щоб уникнути непорозумінь, називати «курсами електричних машин і електричних трансформаторів».

Включення трансформаторів в усі курси електричних машин пояснюється двома причинами. Одна з них - історичного походження: ті ж заводи, які будували електричні машини змінного струму, будували і трансформатори, так як лише наявність трансформаторів давало то перевага машинам змінного струму над машинами постійного струму, яке в кінцевому рахунку призвело до їх переваги в промисловості. І зараз не можна уявити собі великої установки змінного електричного струму без трансформаторів.

Однак, у міру розвитку виробництва машин змінного струму та трансформаторів, зробилося необхідним зосередження виробництва трансформаторів на спеціальних трансформаторостроітельних заводах. Справа в тому, що, в зв'язку з можливістю передачі електроенергії змінного струму за допомогою трансформаторів на великі відстані, зростання вищої напруги трансформаторів йшов значно швидше, ніж зростання напруги електричних машин змінного струму.

На нинішній стадії розвитку електричних машин змінного струму найвищим раціональним напругою для них є 36 кВ. У той же час вища напруга в реально здійснених електричних трансформаторах досягло 1150 кВ. Настільки високі напруги трансформаторів і робота їх на повітряні лінії електропередачі, схильні до дії грозових розрядів, породили багато специфічних трансформаторних проблем, далеких електричним машинам.

Це призвело при виробництві до технологічних проблем, настільки відрізняється від технологічних проблем електромашинобудування, що виділення трансформаторів в самостійне виробництво стало неминучим. Таким чином, перша причина - виробнича зв'язок, така, що ріднила трансформатори з електричними машинами, зникла.

Друга причина - принципового характеру, яка полягає в тому, що в основі застосовуваних на практиці електричних трансформаторів, так само як і електричних машин, лежить принцип електромагнітної індукції (закон Фарадея) , - залишається непорушною зв'язком між ними. При цьому, для розуміння багатьох явищ в машинах змінного струму, знання фізичних процесів, що протікають в трансформаторах, абсолютно необхідно і, крім того, теорія великого класу машин змінного струму може бути зведена до теорії трансформаторів, завдяки чому полегшується їх теоретичне розгляд.

В силу цього, в теорії машин змінного струму теорія трансформаторів займає міцне місце, з чого, однак, не випливає, що трансформатори можна називати електричними машинами. Крім того, потрібно мати на увазі, що у трансформаторів цільова установка і процес перетворення енергії інші, ніж у електричних машин.

Мета електричної машини полягає в тому, щоб перетворити механічну енергію в електричну енергію (генератор) або, навпаки, електричну енергію в механічну енергію (двигун), між тим, в трансформаторі ми маємо справу з перетворенням електричної енергії змінного струму одного виду в електричну енергію змінного струму іншого виду.