Устройство и принцип работы трансформаторов

Конструкция

В принципе работы трансформаторов используется физический закон электромагнитной индукции. Стандартные устройства имеют сердечник и две обмотки. Первичная обмотка понижающего трансформатора подключается к электрической сети. Вокруг сердечника магнитопривода генерируется магнитное поле. Во вторичной обмотке появляется электричество с определенным показателем напряжения.

Мощность на выходе определяется соотношением количества витков в обеих катушках. Соотношением витков, составляющих обмотку первичной и вторичной катушек, можно выбирать характеристики выходного напряжения. Устройство трансформаторов позволяет получить требуемое значение тока для питания промышленных и бытовых электроприборов.

Трансформаторы напряжения не меняют частоту тока. Для этого понижающему агрегату потребуется иметь в конструкции выпрямитель. Он будет менять частоту тока с переменного до постоянного значения, и наоборот.

В понижающих трансформаторах сегодня применяются полупроводники. Их работу дополняет схема интегрального типа. В цепь включаются конденсаторы, микросхемы, пьезоэлементы, резисторы и т. д. Такой понижающий бытовой трансформатор имеет небольшие габариты, высокий уровень КПД, малый вес. Он не шумит, не нагревается. В трансформаторах представленных типов допускается выбрать мощность исходящего тока. Устройство включает в схему защиту против короткого замыкания. Традиционные конструкции также пользуются спросом. Подобные схемы просты, надежны.

Расчеты параметров самодельного трансформатора

На простом трансформаторе первичная обмотка имеет 440 витков для 220 вольт. Получается на каждые два витка по 1 вольту. Формула для подсчета витков по напряжению:

N = 40-60 / S, где S – площадь сечения сердечника в см 2 .

Константа 40-60 зависит от качества металла сердечника.

Сделаем расчет для установки обмоток на магнитопровод. В нашем случае у трансформатора окно 53 мм по высоте и 19 мм по ширине. Каркас будет текстолитовый. Две щеки внизу и вверху 53 – 1,5 х 2 = 50 мм, каркас 19 – 1,5 = 17,5 мм, окно размером 50 х 17,5 мм.

Рассчитываем необходимый диаметр проводов. Мощность сердечника трансформатора своими руками по габаритам 170 ватт. На обмотке сети ток 170 / 220 = 0,78 ампера. Плотность тока 2 ампера на мм 2 , стандартный диаметр провода по таблице 0,72 мм. Заводская обмотка из провода 0,5, завод сэкономил на этом.

• Обмотка простого трансформатора высокого напряжения 2,18 х 450 = 981 виток.
• Низковольтная для накала 2,18 х 5 = 11 витков.
• Низкого напряжения накальная 2,18 х 6,3 = 14 витков.

Количество витков первичной обмотки:

берем провод 0,35 мм, 50 / 0,39 х 0,9 = 115 витков на один слой. Количество слоев 981 / 115 = 8,5. Из середины слоя не рекомендуется делать вывод для обеспечения надежности.

Рассчитаем высоту каркаса с обмотками. Первичная из восьми слоев с проводом 0,74 мм, изоляцией 0,1 мм: 8 х (0,74 + 0,1) = 6,7 мм. Высоковольтную обмотку лучше экранировать от других обмоток для предотвращения помех высоких частот. Для того, чтобы мотать трансформатор, делаем обмотку экрана из одного слоя провода 0,28 мм с изоляцией из двух слоев с каждой стороны: 0,1 х 2 + 0,28 = 0,1 х 2 = 0,32 мм.

Первичная обмотка будет занимать места: 0,1 х 2 + 6,7 + 0,32 = 7,22 мм.

Повышающая обмотка из 17 слоев, толщина 0,39, изоляция 0,1 мм: 17 х (0,39 + 0,1) = 6,8 мм. Поверх обмотки делаем слои изоляции 0,1 мм.

Получается: 6,8 + 2 х 0,1 = 7 мм. Высота обмоток вместе: 7,22 + 7 = 14,22 мм. 3 мм осталось для накальных обмоток.

При расчете сопротивления секции первичной обмотки получается разница около 6-ти Ом. Такое сопротивление даст падение напряжения 0,84 вольта при токе номинала 140 миллиампер. Чтобы компенсировать это падение напряжения, добавим два витка. Теперь во время нагрузки секции равны по напряжению.

Намотка трансформатора своими руками

Укладываем изоляцию первого слоя. Вставляем конец провода в отверстие выводной клеммы. Начинаем мотать провод, не забывая о его натяжении. Проверить можно так: намотанная катушка не будет проминаться от пальца. Провод растягивать нельзя, так как нарушится изоляция. Готовую катушку рекомендуется пропитать парафином, чтобы не испортить провод. Если обмотка гудит во время работы трансформатора, то изоляция провода стирается, провод изгибается и разрушается. По этой причине натяжение провода во время намотки имеет большое значение.

На слое не нужно оставлять пустое место. Наибольшее напряжение на последних витках составляет для первичной 60 + 60 / 2, 18 + 55 В. Изоляция из лака выдержит напряжение, если провод будет проваливаться в пустоту слоя, то может нарушиться изоляция. Пропитываем первый слой, затем второй и так далее. К изоляции между обмотками необходимо отнестись добросовестно. Она должна выдерживать до 1000 вольт. Вверху на изоляции рекомендуется подписать количество витков и размер провода, это пригодится при ремонте.

Слои самодельного трансформатора должны иметь правильную форму. По мере намотки катушка будет изгибаться у краев. Для этого слои нужно равнять во время намотки, не повредив изоляцию.

Вынужденные стыки провода лучше на ребре каркаса за сердечником. Соединять провод скруткой с пайкой, внакладку с пайкой. Длина контакта при соединении делается более 12 диаметров провода. Стык нужно изолировать бумагой или лаковой тканью. Пайка должна быть без острых углов.

Выводные концы обмоток делаются по-разному. Главное, чтобы была надежность и качество.

Расчет характеристик оборудования

Трансформатор понижающий может относиться к различным категориям, что зависит от ряда параметров. Помимо конструкционных отличий (наличие пьезоэлементов, конденсаторов и т. д.) оборудование отличается мощностью, назначением, строением. Общим для них является коэффициент трансформации. Он всегда будет меньше 1. Не существует понижающий трансформатор с коэффициентом больше 1. Такие приборы относятся к категории повышающих агрегатов.

Чтобы подобрать правильное количество витков в контурах, производится расчет. Известно, что коэффициент трансформации, равен 0,2. Прибор понижает напряжение в сети. В первичной обмотке 120 витков. Определим количество витков во вторичной катушке:

ВО = 120*0,2 = 24 витка.

Используя коэффициент трансформации, определяем выходное напряжение. Если на первичную обмотку поступает ток 220 В, расчет будет таким:

НВ = 220*0,2 = 44 В.

Зная коэффициент трансформации, как определить мощность оборудования, не составит труда. Когда мы выбираем прибор для изменения параметров тока в цепи, требуется определение потребностей стандартных потребителей. При пониженной нагрузке в сети бытовая техника не будет работать правильно. Чтобы в трансформаторе не вырабатывалось слишком низкое значение тока, обязательно учитывают коэффициент трансформации.

Установка и эксплуатация

Внутреннюю часть представленного агрегата нужно тщательно защищать от неблагоприятных внешних воздействий. В корпус не должны попадать пыль, влага, грязь и прочие посторонние вещества. Поэтому оборудование устанавливается в защитный корпус, кожух или ящик. В него должен быть обеспечен легкий доступ. Обслуживающий персонал при необходимости быстро произведет осмотр системы в случае необходимости.

Монтаж нужно проводить таким образом, чтобы исключить вероятность случайного соприкосновения человека к неизолированным проводникам тока. Агрегат подключается к заземлению при помощи медного провода. Сечение должно составлять от 2,5 мм и более.

Периодически производится осмотр, обслуживание и ремонт трансформаторов. Неисправности должны вовремя устраняться.

Интересное видео: Как намотать своими руками сетевой понижающий трансформатор 220 на 12 вольт?

https://youtube.com/watch?v=wxoPnTVXCoQ

При выборе места установки, условий эксплуатации обязательно учитывают требования производителя. ГОСТ устанавливает климатическое исполнение, которое должно учитываться при установке.

Изготовление каркаса катушки трансформатора своими руками

Важны углы на деталях, и точность в размерах, что повлияет на сборку простого трансформатора.

На щечках отводим места для крепления выводных контактов обмоток, сверлим отверстия по расчетам. Когда каркас собран, то теперь скругляем острые грани, к которым будет прикасаться провод обмотки. Используем для этой цели надфиль. Провода не должны резко перегибаться, так как эмаль изоляции потрескается. Теперь проверим, вставляется ли в окно каркаса пластина. Она не должна болтаться, или туго входить. Каркас ставим на специальный станок или готовимся мотать трансформатор вручную. Толстые провода всегда мотаются руками.

Расчет сетевого трансформатора

• Если у Вас есть некий трансформаторный сердечник, из которого нужно сделать трансформатор, то необходимо замерить сердечник (как показано на рисунке), а так же замерить толщину пластины или ленты.
• Первым делом необходимо рассчитать  площадь сечения сердечника — Sc (см²) и площадь поперечного сечения окна — Sо (см²).
• Для тороидального трансформатора:

• Sc= H * (D – d)/2
• S0=  π * d2/ 4

Для Ш и П — образного сердечника:

Определим габаритную мощность нашего сердечника на частоте 50 Гц:

• η — КПД трансформатора,
• Sc — площадь поперечного сечения сердечника, см2,
• So — площадь поперечного сечения окна, см2,
• f — рабочая частота трансформатора, Гц,
• B — магнитная индукция, T,
• j — плотность тока в проводе обмоток, A/мм2,
• Km — коэффициент заполнения окна сердечника медью,
• Kc — коэффициент заполнения сечения сердечника сталью.

При расчете трансформатора необходимо учитывать, что габаритная мощность трансформатора должна быть больше расчетной электрической мощности вторичных обмоток.

Исходными начальными данными для упрощенного расчета являются:

• напряжение первичной обмотки U1
• напряжение вторичной обмотки U2
• ток вторичной обмотки l2
• мощность вторичной обмотки Р2 =I2 * U2 = Рвых
• площадь поперечного сечения сердечника Sc
• площадь поперечного сечения окна So
• рабочая частота трансформатора f = 50 Гц

КПД (η) трансформатора можно взять из таблицы, при условии что Рвых = I2 * U2 (где I2 ток во вторичной обмотке, U2 напряжение вторичной обмотки), если в трансформаторе несколько вторичных обмоток, что считают Pвых каждой и затем их складывают.

B — магнитная индукция выбирается из таблицы, в зависимости от конструкции магнитопровода и Pвых.

j — плотность тока в проводе обмоток , так же выбирается в зависимости от конструкции магнитопровода и Pвых.

Km — коэффициент заполнения окна сердечника медью

Kc — коэффициент заполнения сечения сердечника сталью

Коэффициенты заполнения для пластинчатых сердечников указаны в скобках при изоляции пластин лаком или фосфатной пленкой.

При первоначальном расчете необходимо соблюдать условие —Pгаб ≥ Pвых, если это условие не выполняется то при расчете уменьшите ток или напряжение вторичной обмотки.

После того как Вы определились с габаритной мощностью трансформатора, можно приступить к расчету напряжения одного витка:

1. где Sc — площадь поперечного сечения сердечника, f — рабочая частота (50 Гц), B — магнитная индукция выбирается из таблицы, в зависимости от конструкции магнитопровода и Pвых.
2. Теперь определяем число витков первичной обмотки:
3. w1=U1/u1
4. где U1 напряжение первичной обмотки, u1 — напряжение одного витка.
5. Число витков каждой из вторичных обмоток находим из простой пропорции:

• где w1 — кол-во витков первичной обмотки, U1 напряжение первичной обмотки, U2 напряжение вторичной обмотки.
• Определим мощность потребляемую трансформатором  от сети с учетом потерь:
• Р1 = Рвых /  η
• где η — КПД трансформатора.
• Определяем величину тока в первичной обмотке трансформатора:
• I1 = P1/U1
• Определяем диаметры проводов обмоток трансформатора:
• d = 0,632*√ I
• где d — диаметр провода, мм, I — ток обмотки, А (для первичной и вторичной обмотки).

Трансформаторы напряжения

Трансформаторы напряжения предназначены для трансформации и снижения напряжения в более низкое. Обычно необходимо это для измерения напряжения электроэнергии, идущей из сети. Трансформаторы напряжения помогают изолировать цепи измерения и защиты от самой электросети с электроэнергией высокого напряжения.

Трансформаторы напряжения бывают заземляемыми и незаземляемыми. Заземляемый трансформатор может быть однофазным и трехфазным. Однофазный имеет один заземленный конец первичной обмотки, а в трехфазном заземлена нейтраль обмотки первого уровня.

В незаземляемом трансформаторе напряжения вся первичная обмотка изолирована и земли.

Кроме того, различают трансформаторы напряжения каскадные и емкостные. В каскадных первичную обмотку разделяют на несколько секций, последовательно соединенных друг с другом. В этом случае мощность к обмотке вторичной передается с помощью дополнительных, играющих соединительную роль, обмоток. В емкостном трансформаторе напряжения есть емкостный делитель.

Также трансформаторы напряжения различаются по количеству обмоток. В двухобмоточных есть лишь одна вторичная обмотка, в трехобмоточных помимо основной вторичной обмотки присутствует и вторая. В зависимости от того, где необходимы трансформаторы напряжения, выбирают тот или иной тип устройств.

Принцип работы устройства

Трансформатор — это электротехническое устройство, предназначенное для передачи энергии без изменения её формы и частоты. Используя в своей работе явление электромагнитной индукции, устройство применяется для преобразования переменного сигнала или создания гальванической развязки. Каждый трансформатор собирается из следующих конструктивных элементов:

• сердечника;
• обмотки;
• каркаса для расположения обмоток;
• изолятора;
• дополнительных элементов, обеспечивающих жёсткость устройства.

В основе принципа действия любого трансформаторного устройства лежит эффект возникновения магнитного поля вокруг проводника с текущим по нему электрическим током. Такое поле также возникает вокруг магнитов. Током называется направленный поток электронов или ионов (зарядов). Взяв проволочный проводник и намотав его на катушку и подключив к его концам прибор для измерения потенциала можно наблюдать всплеск амплитуды напряжения при помещении катушки в магнитное поле. Это говорит о том, что при воздействии магнитного поля на катушку с намотанным проводником получается источник энергии или её преобразователь.

В устройстве трансформатора такая катушка называется первичной или сетевой. Она предназначена для создания магнитного поля. Стоит отметить, что такое поле обязательно должно всё время изменяться по направлению и величине, то есть быть переменным.

Классический трансформатор состоит из двух катушек и магнитопровода, соединяющего их. При подаче переменного сигнала на контакты первичной катушки возникающий магнитный поток через магнитопровод (сердечник) передаётся на вторую катушку. Таким образом, катушки связаны силовыми магнитными линиями. Согласно правилу электромагнитной индукции при изменении магнитного поля в катушке индуктируется переменная электродвижущая сила (ЭДС). Поэтому в первичной катушки возникает ЭДС самоиндукции, а во вторичной ЭДС взаимоиндукции.

Количество витков на обмотках определяет амплитуду сигнала, а диаметр провода наибольшую силу тока. При равенстве витков на катушках уровень входного сигнала будет равен выходному. В случае когда вторичная катушка имеет в три раза больше витков, амплитуда выходного сигнала будет в три раза больше, чем входного — и наоборот.

От сечения провода, используемого в трансформаторе, зависит нагрев всего устройства. Правильно подобрать сечение возможно, воспользовавшись специальными таблицами из справочников, но проще использовать трансформаторный онлайн-калькулятор.

Отношение общего магнитного потока к потоку одной катушки устанавливает силу магнитной связи. Для её увеличения обмотки катушек размещаются на замкнутом магнитопроводе. Изготавливается он из материалов имеющих хорошую электромагнитную проводимость, например, феррит, альсифер, карбонильное железо. Таким образом, в трансформаторе возникают три цепи: электрическая — образуемая протеканием тока в первичной катушке, электромагнитная — образующая магнитный поток, и вторая электрическая — связанная с появлением тока во вторичной катушке при подключении к ней нагрузки.

Правильная работа трансформатора зависит и от частоты сигнала. Чем она больше, тем меньше возникает потерь во время передачи энергии. А это означает, что от её значения зависят размеры магнитопровода: чем частота больше, тем размеры устройства меньше. На этом принципе и построены импульсные преобразователи, изготовление которых связано с трудностями разработки, поэтому часто используется калькулятор для расчёта трансформатора по сечению сердечника, помогающий избавиться от ошибок ручного расчёта.

Силовые трансформаторы

Силовые трансформаторы – это устройства стационарные, которые имеют как минимум две обмотки, использующиеся для преобразования напряжения и тока до необходимого в работе уровня. Как правило, частота преобразованной электроэнергии остается прежней. Силовые трансформаторы состоят из клемм, охладителей и приборов для регулирования уровня выходного напряжения. Кроме того, на такой трансформатор можно установить газовое реле, устройства для сброса давления, защиты от перенапряжений и резкого повышения давления. Также возможна установка на силовые трансформаторы поглотителей влаги и дополнительных трансформаторов тока, расходомеров, индикаторов температуры, давления, уровня масла и горючих газов. Помимо данных устройств, на силовые трансформаторы можно установить полозья или колеса, которые сделают их транспортабельными.

Обычно силовые трансформаторы применяют в случае необходимости увеличить ток и снизить напряжение электроэнергии, идущей от основной электростанции, поэтому силовые трансформаторы используются в различных отраслях промышленности. То есть везде, где применяют устройства, работающие на электроэнергии, а также везде, где жизненно необходимо регулировать параметры электричества, преобразуя ее в электричество нужного тока и напряжения и препятствуя резким скачкам этих параметров.

Силовые масляные трансформаторы

Во многих отраслях народного хозяйства активно используются силовые масляные трансформаторы.
Такой большой спрос на них обуславливается тем, что установить их легко можно как снаружи, так и внутри помещения.
Обмотки силовых масляных трансформаторов отлично защищены от воздействия окружающей среды, за счет чего заметно увеличивается и их срок службы.
Это делает их также надежными и неприхотливыми в процессе эксплуатации.

Есть у силовых масляных трансформаторов и недостаток – он заключается в том, что окружающая среда должна иметь минимум пыли в воздухе.
Кроме того, она должна быть пассивной химически и совершенно невзрывоопасной.
Этот недостаток можно назвать единственным, но при этом он довольно существенный.

Силовые масляные трансформаторы, в которых устанавливается еще маслоуказатель МС, способны выдерживать очень большие нагрузки напряжения.
Использовать трансформаторы можно как в жарком, так и в холодном климате.
Необходимы они с целью понижения напряжения в сети электрической.

Трехфазные и высоковольтные трансформаторы

Могут быть трансформаторы трехфазными и высоковольтными.Высоковольтные трансформаторы отличаются способностью выдерживать достаточно высокую нагрузку.
За счет этого использовать их можно даже на крупных предприятиях.
Их основная работа заключается в том, чтобы от высоковольтной линии преобразовывать ток в более низкие частоты.

Трехфазные трансформаторы способны преобразовывать ток при разных температурах воздуха.
Но в условиях тряски, вибрации или ударов такие трансформаторы использовать запрещено.

Простое объяснение принципа работы прибора

Как устроена работа трансформатора:

Как только к одной из обмоток подводят электроток, появляется сильное магнитное поле вокруг стального сердечника, на котором она обмотана. А когда к процессу подключают вторичную обмотку, по закону электромагнитной индукции электрический ток передается от одной катушки к другой.

Любой трансформатор способен работать в 3-х режимах: 

1. Рабочий режим — когда вторичная катушка трансформатора получает ток, напряжение и сопротивление от первичной цепи.
2. Режим холостого хода предполагает размыкание вторичной обмотки. Этот режим позволяет произвести расчет коэффициента трансформации и измерить ток, который течет в первичной цепи.
3. Режим короткого замыкания предполагает замыкание концов вторичной обмотки напрямую, при котором сопротивление в цепи равно нулю. В этом режиме можно определить потери, которые происходят за счет нагревания обмоток.

4.11. ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА ТРАНСФОРМАТОРОВ

При выборе трансформаторов для электроснабжения производственного предприятия
часто возникает дилемма: либо установить один мощный трансформатор,
либо применить их несколько, в сумме обеспечивающих требуемую мощность.
Второй вариант будет всегда предпочтительней, т.к. режим работы предприятия
в течение суток неравномерный и потребляемая мощность будет различной.
Например, в ночное время нагрузка будет минимальной, т.к. потребляемая
мощность складывается лишь из охранного освещения и нескольких дежурных
объектов. Днем, когда работают основные потребители электроэнергии,
потребляемая мощность будет максимальной. Какой-то промежуточный режим
будет в вечернее время суток. Короче говоря, в работе могут находиться
один, два или сразу три трансформатора.
Параллельная работа нескольких трансформаторов связана с тем, что их
вторичные обмотки питают общую нагрузку.
Однако не все трансформаторы способны работать параллельно.
Определим условия, при которых возможно включение трансформаторов на
параллельную работу. Во-первых, это одинаковые первичные и вторичные
напряжения на обмотках. Во-вторых, должны быть одинаковые схемы и группы
соединения. Помимо этого, регламентируются напряжения короткого замыкания,
указанные в паспорте трансформатора. И, конечно, порядок чередования
фаз у параллельно работающих трансформаторов должен быть одинаковым.
В качестве примера приведем схему параллельно включенных пяти сварочных
трансформаторов, обеспечивающих работу 14 сварочных постов (рис. 4.11.1).

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Трансформаторы получили широкое распространение, как в промышленности, так и в быту. Одной из основных областей их промышленного применения является передача электроэнергии на дальние расстояния и ее перераспределение.

Не менее известны сварочные (электротермические) трансформаторы. Как видно из названия, данный тип устройств применяется в электросварке и для подачи питания на электротермические установки. Также достаточно широкой областью применения трансформаторов является обеспечение электропитания различного оборудования.

В зависимости от назначения трансформаторы делят на:

Являются наиболее распространенным типом промышленного трансформатора. Применяются для повышения и понижения напряжения. Используется в линиях электропередач. По пути от электрогенерирующих мощностей до потребителя электроэнергия может несколько раз проходить через повышающие силовые трансформаторы, в зависимости от удалённости конкретного потребителя.

Перед подачей непосредственно на приборы потребления (станки, бытовые и осветительные приборы) электроэнергия претерпевает обратные преобразования, проходя через силовые понижающие трансформаторы.

Тока.

Выносные измерительные трансформаторы тока используются для обеспечения работоспособности цепей учета электроэнергии защиты энергетических линий и силовых автотрансформаторов. Они имеют различные размеры и эксплуатационные показатели. Могут размещаться в корпусах небольших приборов или являться отдельными, габаритными устройствами.

В зависимости от выполняемых функций различают следующие виды:

• измерительные — подающее ток на приборы измерения и контроля;
• защитные — подключаемые к защитным цепям;
• промежуточные — используется для повторного преобразования.

Напряжения.

Они применяются для преобразования напряжения до нужных величин. Кроме того, такие устройства используются в цепях гальванической развязки и электро- радио- измерениях.