Трансформатор — это аппарат без подвижных частей, который преобразует электрическую энергию из одной цепи в другую с изменением напряжения тока и без изменения частоты. Существует два типа трансформаторов, классифицируемых по их функции: повышающий трансформатор и понижающий трансформатор, про принцип работы которого мы и расскажем.
Понижающий трансформатор преобразует высокое напряжение (ВН) и низкий ток с одной стороны в низкое напряжение (НН) и высокое значение тока на другой стороне. Этот тип трансформатора имеет широкое применение в электронных устройствах и электрических системах.
Когда доходит до операций с напряжением, применение трансформатор можно разделить на 2 вида: НН (напряжение тока ниже 1кВ) и ВН (напряжение тока выше 1 кВ).
Первый способ НН относится к трансформаторам в электронных устройствах. Электронные схемы требуют поставки низкого значения напряжения (например, 5В или ещё ниже).
Понижающий трансформатор используется для того чтобы обеспечить соответствие поставляемого низкого напряжения требованиям электроники. Оно преобразовывает бытовое напряжение тока (220/120 В) из первичного в напряжение более низкое на вторичной стороне, которая используется для снабжения электронных приборов.
Если электронные устройства рассчитаны на более высокую номинальную мощность, то используются трансформаторы с высокой рабочей частотой (кГц). Трансформаторы с более высоким номинальным значением мощности и номинальной частотой 50/60 Гц были бы слишком большими и тяжелыми. Также, ежедневно-используемые зарядки используют понижающий трансформатор в своей конструкции.
Понижающие трансформаторы имеют очень большое значение в энергосистеме. Они понижают уровень напряжения и адаптируют его для систем-потребителей энергии. Трансформация выполняется в несколько шагов, описанных ниже:
- Система передачи энергии на большие расстояния должна иметь максимально высокий уровень напряжения. С высоким напряжением и низким током, потеря мощности передачи будет значительно уменьшена. Электрическая сеть сконструирована таким образом, что должна соединяться с системой передачи с различными уровнями напряжения тока.
- Понижающие трансформаторы используются в соединении систем передачи с различным уровнем напряжения. Они уменьшают уровень напряжения тока от максимального к более низкому значению (например, 765/220 кВ, 410/220 кВ, 220/ 110 кВ). Эти трансформаторы огромны и имеют очень высокую мощность (даже 1000 МВА). В том случае, когда коэффициент оборотов трансформатора не высок, обычно устанавливаются автоматические трансформаторы.
- Следующим шагом преобразования уровня напряжения является адаптация напряжения передачи к уровню распределения. Характерные отношения напряжений в этом случае 220/20 кВ, 110/20 кВ (также можно найти вторичные напряжения ЛВ 35 кВ и 10 кВ). Номинальная мощность этих трансформаторов составляет до 60 мВА (обычно 20 мВА). Переключатель изменения нагрузки почти всегда установлен в таких трансформаторах.
- Заключительный шаг преобразования напряжения — адаптация напряжения к уровню домашнего напряжения. Эти трансформаторы называемые малыми распределительными трансформаторами имеют номинальную силу до 5 мВА (чаще всего 1 мВА) и с номинальными значениями напряжения тока 35, 20, 10 кВ на стороне ВН и 400/200 В на стороне НН. Такие трансформаторы имеют высокий коэффициент оборота.
В нашем каталоге понижающих трансформаторов есть разные модели и виды. 
Самый популярный и распространенный вид. Как правило, используется в быту. Подключается от однофазной сети. Фазный и нулевой провод подключены на первичную обмотку.
По большей части применяется в промышленности, но есть случаи применения и в быту. Призван понижать более высокое напряжение около 380 В до необходимого в трехфазной сети.
Трансформатор, имеющий две или более обмотки. Устанавливается несколько вторичных обмоток для получения нескольких различных показателей напряжения тока от одного источника.
По сравнению с другими трансформаторами имеет легкий вес и малые габариты. Используется в радиоэлектронике для получения высокой плотности тока, из-за хорошего охлаждения обмотки. Стоит недорого, так как длина обмотки значительно короче других из-за сердечника в форме тора. Может выдерживать более высокие температуры, чем остальные виды прибора.
На нем установлена одна катушка, из-за чего очень агрегат прост и дешев в производстве. Броневым он называется из-за того что обмотки покрывают стержень как броня. Однако из-за плотности той же обмотки его трудно осматривать и ремонтировать.
Этот вид трансформаторов используется для обработки высоких и средних значений напряжения. Также имеет хорошее охлаждение. Устроен это вид прибора довольно просто, что позволяет легко осматривать и ремонтировать его.
- Понижает напряжение, что делает передачу энергии проще и дешевле.
- Более 99% эффективности.
- Обеспечивает различные требования к напряжению.
- Бюджетный.
- Высокая надежность.
- Высокая длительность работы.
- Требует внимательного обслуживания, ошибки в котором могут привести к поломке аппарата.
- Устранение неисправностей занимает много времени.
Мощность в любом трансформаторе неизменяема, т. е. мощность, поступающая на вторичную обмотку трансформатора такая же как мощность на первичной обмотке трансформатора.
Это применимо и к понижающему трансформатору.
Но, поскольку вторичное напряжение в понижающем трансформаторе меньше, чем первичное, сила тока на вторичном будет увеличена, чтобы сбалансировать общую мощность в трансформаторе.
Принцип работы
В большинстве домов ток проходит под напряжением в 220 В. Однако для правильной работы многие приборы подключаются к трансформатору. Но что делать, если вы купили прибор, который работает при более низком напряжении. Если вы подключите прибор к розетке без трансформатора, то, скорее всего, как только вы его включите, он сломается.
Как работает трансформатор? Первый комплект катушки, который называется первичной катушкой или первичной обмоткой, подключен к источнику переменного напряжения, называемому первичным напряжением.
Другая катушка, которая называется вторичной катушкой или вторичная обмотка, соединена с нагрузкой и нагрузка показывает измеренное напряжение (повышенное или пониженное).
Из источника ток проходит через витки первичной обмотки, вызывая появление магнитного потока, он проходит по виткам второй обмотки. Во вторичной обмотке возникает ЭДС (электродвижущая сила) в результате чего образуется напряжение, отличающееся от первичного напряжения. Разница между начальным и конечным напряжением определяется разницей числа витков на первичной и вторичной обмотке.
Если на вторичной витков меньше, чем на первичной – напряжение понизится, если витков больше – повысится. Напряжение тока меняется без изменения его частоты.
Все уличные трансформаторы, которые мы видим возле наших домов, — это понижающие трансформаторы. Они принимают переменное напряжение 11 кВ на первичной обмотке и преобразуют его в напряжение 220 В для распределения в наших домах. 
До широкого использования импульсных источников питания почти все низковольтные настенные адаптеры использовали понижающие трансформаторы. Пользоваться трансформатором в бытовых целях очень легко. Подключите трансформатор к розетке, а устройство к трансформатору. Однако чтобы пользоваться трансформатором, нужно выбрать правильный трансформатор. При выборе подходящего прибора нужно учитывать следующие пять критериев.
Какова средняя мощность, потребляемая приборами, подключаемыми к трансформатору?
Выберите свой аппарат в зависимости от того, сколько ватт потребляет ваше устройство. Например: Playstation 3 потребляет 380 Вт, поэтому вам необходим понижающий трансформатор на 500 Вт. Убедитесь в том, что ваше устройство не превышает мощность выбранного типа трансформатора.
Есть ли в вашем устройстве мотор? Если мотор присутствует, то добавьте 20% к необходимой мощности. В каких условиях вы будете работать? В условиях низких температур, например, вам понадобится тороидальный трансформатор.
Знаете ли вы амперы вашего устройства?
Так вы можете рассчитать необходимые ватты = Ампер х 110 В (например, 5 А х 110 = 550 Вт)
Вы хотите использовать один трансформатор для нескольких устройств? Проверьте общую мощность всех устройств, она должна быть меньше, чем значение ВА трансформатора.
Понижающие напряжение трансформаторы применяются повсеместно.
В зависимости от типа, прибор может применяться как в бытовых условиях, так и в промышленных, однако чаще всего они используются в источниках питания различных приборов и в электросетях.
Выбор конкретного устройства необходимо осуществлять очень тщательно, предварительно посоветовавшись с профессионалом и учитывать все, даже малозначительные, факторы для каждой конкретной ситуации.
Источники питания. Многофазные силовые трансформаторы-преобразователи и выпрямители
Владимир Казаков
Рынок электронной продукции заполнен разнообразными преобразователями электрической энергии и источниками питания. Как сегодня выбрать наиболее приемлемую схему или конструкцию источника питания? Попробуем коротко ответить на этот вопрос.
Однофазные источники питания
Сетевые источники питания для бытовых электронных приборов, в том числе для всех типов компьютеров, имеют небольшие размеры, недороги и достаточно надежны (рис. 1).
Рис. 1. Структурная схема источника питания
Входное напряжение сети блоком коммутации К преобразуется в импульсы с частотой 100-700 кГц. Силовой трансформатор Т1 понижает напряжение до необходимого значения, обеспечивая гальваническую развязку от входной сети.
Пониженное напряжение выпрямляется диодами VD, и фильтр F2 сглаживает пульсации этого напряжения, которые состоят из двух составляющих: пульсации с частотой 50 Гц, связанные с напряжением входной сети; пульсации с частотой 100-700 кГц с выхода блока коммутации К. Стабилизатор S поддерживает значение выходного напряжения источника питания.
Для этого он управляет скважностью импульсов на выходе блока коммутации. В более старых схемах сетевое напряжение предварительно выпрямляется диодами, частично сглаживается конденсаторами и только потом подается на блок коммутации. Этот блок на рис. 1 выделен серым цветом.
Какие изменения произошли в последнее время? Изготовители стали использовать полимерные быстродействующие предохранители многократного действия, предназначенные для защиты источников питания от перегрузок и аварий. Внедряются силовые трансформаторы MTS, меньшие в 64 раза, чем предшественники с ферри-товыми сердечниками.
Аналогичные схемы используются и в современных мощных источниках питания: различного назначения на промышленных предприятиях, электрического железнодорожного и городского транспорта, непосредственно на всех видах самоходных транспортных средств. Это различные источники питания AC/AC, DC/DC, AC/DC и DC/AC. Других изменений на рынке источников питания не было.
Многофазные источники питания
Производителями силовых трансформаторов достаточно большое внимание уделяется многофазным трансформаторам. Причина в основном заключается в следующем. Линейные безынерционные приводы станков, линейные двигатели железнодорожного транспорта имеют наилучшие показатели, если конструкция этих двигателей многофазная. Для питания таких двигателей необходимо многофазное напряжение.
Однако многофазное напряжение можно очень эффективно использовать также в некоторых сварочных аппаратах и в источниках питания. Это связано с тем, что с увеличением числа фаз напряжения сети пульсации выпрямленного напряжения уменьшаются. В качестве примера сравним пульсации напряжений, полученных путем выпрямления напряжения сети диодными мостами, без сглаживания фильтрами.
Из таблицы 1 видно, что использование 24-фазного напряжения не требует сглаживающего фильтра.
Значит, при использовании такого напряжения блоки питания могут не содержать ненадежные электролитические конденсаторы и различные дроссели для сглаживания пульсаций выпрямленного сетевого напряжения, что сократит размеры блока питания примерно на 20-50% и увеличит надежность блока питания в 2-4 раза.
Таблица 1. Сравнение пульсаций выпрямленного напряжения при различном числе его фаз
Как получить желанное 24-фазное напряжение, ведь распространено только трехфазное сетевое напряжение?
Многие разработчики создают различные сложные конструкции сердечников трансформаторов — преобразователей. Изготавливать такие трансформаторы сложно, их стоимость в 100-150 раз превысит стоимость обычного силового трансформатора даже при серийном производстве, а надежность снизится в 2-3 раза.
Для создания надежной конструкции силового трансформатора, качественно преобразующего 3-фазное напряжение в 24-фазное, нами используется классическая надежная схема включения «зигзаг» обмоток трехфазного силового трансформатора. Так построены трансформаторы-преобразователи MTS. На рис.
2 приведена схема источника питания для компьютера с одним выходным напряжением. При использовании силового трансформатора с большим числом вторичных обмоток можно получить несколько выходных напряжений.
При сравнительной простоте схемы размеры источника питания получаются вдвое меньше, чем у аналогов, поскольку трансформатор MTS, работающий на частоте 50 Гц, имеет такие же размеры, как и зарубежные предшественники, работающие на 100 кГц.
Стабилизации схема не требует, так как не имеет элементов, снижающих выходное напряжение при изменении тока нагрузки. Стабильность напряжения сети статистически достаточна для нормальной работы компьютера и иной бытовой электронной аппаратуры.
Рис. 2. Основные элементы источника питания
На рис. 2 показаны основные элементы источника питания: Т1 — понижающий 3-фазный силовой трансформатор, со свободными входными выводами, которые можно подключить к сети по схеме «звезда» или «треугольник»; MTS1.1, MTS1.2, MTS1.
3 — обмотки 3-фазного силового трансформатора, включенные по схеме «зигзаг» для получения 24-фазного напряжения; a, b, c, …, x — выходные выводы 24-фаз-ного напряжения, соединенные по схеме «звезда», 0 — нулевой вывод; VD1-VD4 — диодные сборки, где ток одного диода составляет 4% от Iном нагрузки.
Все многофазные источники питания, независимо от их конструкции, весьма чувствительны к качеству электрической энергии сети. График, приведенный на рис. 3, показывает зависимость пульсации выходного напряжения от отклонения амплитуды одной фазы входного напряжения.
На графике представлена сравнительная оценка пульсаций выпрямителей: 3-фазного, 6-фазного, 12-фазного и 24-фазного, где сплошные линии изображают зависимость пульсации выходного напряжения, если амплитуда одной из фаз выше средней амплитуды фаз, пунктирные — если ниже.
Эта же зависимость дана в таблице 2.
Рис. 3. Сравнительная оценка пульсаций выпрямителей
Таблица 2. Сравнительная оценка пульсаций выпрямителей: 3_фазного, 6_фазного, 12_фазного и 24_фазного
Из графика на рис. 3 видно, что при несимметричном напряжении сети амплитуда пульсаций многофазных выпрямителей возрастает, и без сглаживающих фильтров они применяться не могут.
Однако практика показывает, что стандартная 3-фазная сеть практически симметрична (в таблице 1 соответствующая строка выделена желтым цветом), и ощутимых аппаратурой пульсаций на выходе источника питания не возникает.
Как рассчитать точно число витков трансформатора-преобразователя? Можно воспользоваться таблицей 3, где даны соотношения витков вторичных обмоток 3-фазного силового трансформатора, включаемых по схеме «зигзаг».
Таблица 3. Относительное число витков выходных обмоток для схемы «зигзаг». Знак «–» означает встречное включение
Например, число витков фазы а равно Na = kвитx0,5xNAxk , где NA — число витков первичной обмотки; kт — коэффициент трансформации (меньше 1) 3-фазного силового трансформатора; 0,5 — учитывает наличие встречной фазы m. При расчете учитывается, что выходное напряжение источника равно амплитудному выходному напряжению силового трансформатора.
Преимущества многофазных источников питания и области их применения
Преимуществами многофазных источников питания является их простая конструкция и стоимость, в 5-6 раз меньшая, чем у однофазных аналогов, поскольку эти схемы содержат силовой трансформатор, цена которого такая же, как у однофазного аналога по мощности, и сборки недорогих диодов.
Новые модульные 50-герцевые силовые трансформаторы по размерам сопоставимы с размерами 100-килогерцевых ферритовых аналогов, для работы которых используется дорогая схема возбуждения.
В итоге, многофазные источники питания в 5-6 раз дешевле при тех же габаритах, что и у названных аналогов, но обладают большей надежностью.
Области применения:
- в офисах и конструкторских бюро различных организаций часто используется 3-фазная сеть питания. В этом случае желательно комплектовать компьютеры более надежными многофазными источниками питания;
- экономически целесообразно комплектовать такими источниками питания многочисленные станции сотовой радиосвязи;
- использование многофазных источников питания устраняет вредное для глаз мерцание ламп освещения и рекламы;
- многофазные силовые трансформаторы при такой же цене, как и однофазные, улучшают работу устройств дуговой сварки;
- на предприятиях, связанных с гальваникой и производством металлов методом электролиза, например, алюминия, поскольку такие источники питания не уменьшают cos? электрических сетей, не создают напряжения высших гармоник. Обычные выпрямители и стабилизаторы в таких производствах снижают cos? до 0,4. Это сильно перегружает и перегревает кабельные и проводные сети региональной и единой энергосистемы, перегружает и быстро изнашивает генераторы на электростанциях;
- для сетей питания электрического железнодорожного и городского транспорта данные источники также незаменимы, многофазные трансформаторы-преобразователи гасят параметрические резонан-сы и перенапряжения в электрических сетях, что увеличивает из надежность и качество электроэнергии.
Выбор источника питания при отсутствии 3-фазной питающей сети
При отсутствии 3-фазной сети получение 3-фазного напряжения становится слишком дорогим и нецелесообразным. В этом случае приходится довольствоваться существующими на рынке однофазными устройствами.
Однако такие фирмы, как Curamik Electronics GmbH, Diskom GmbH, планировали использовать бесшумные сверхкомпактные двигатель-генераторы для получения 3-фазных и многофазных напряжений из однофазного, для установки в мощных компьютерных системах.
Стоимость подобных генераторов всего в 1,5 раза выше, чем стоимость силового трансформатора такой же мощности.
Патентованная автором генераторная часть этих преобразователей схожа с трансформаторами класса MTS, так как статорная обмотка тоже выполнена из АРМКО и заменяет большую часть магнитопровода статора.
Возможно, скоро читатели смогут приобретать компактные надежные источники питания с такими преобразователями однофазного напряжения в 24-фазное.
В следующих номерах журнала планируется рассказать о силовых ключах, транзисторах, микросхемах и процессорах на основе материала «тетракарбон» — упорядоченной модификация углерода (патент Великобритании).
Надежность и характеристики этих компонентов на несколько порядков превосходят параметры сегодняшних аналогов: например, доказана возможность производства чипов с тактовыми частотами порядка 100 ГГц с потреблением 0,01 В/10-6 А, памяти 100 и более 1 Тбайт/мм2.
Эти чипы могут заинтересовать кардиохирургов, так как данный материал легко вживить в ткани человеческого организма, а для электропитания чипов достаточно температурного перепада в живой ткани.
Силовые транзисторы из нового материала могут коммутировать токи до 10 и более кА, при этом падение напряжения в канале не превышает 10–3 В. Коммутируемые транзисторами напряжения — до 50 кВ. Тактовая частота ключей на этих транзисторах превышает 100 МГц.
Литература
- Казаков В. В. Новые модульные трансформаторы // Компоненты и технологии. 2006. № 8.
- www.curamik.de, www.diskom.de
Применение трансформаторов в источниках электропитания
Различные части электроприборов, как правило, нуждаются в питании разным напряжением. Для того чтобы это обеспечить, в блоках питания данных устройств применяются трансформаторы с несколькими вторичными обмотками, выдающими разное напряжение, либо применяется несколько отдельных трансформаторов, каждый из которых обеспечивает свое определенное напряжение.
- Так, например, в старых телевизорах (с кинескопами на электронно-лучевой трубке) 5-7 вольт для питания транзисторов, микросхем или ламп получалось от одного трансформатора, а несколько киловольт для питания анода кинескопа — от другого — высоковольтного, так называемого строчного трансформатора.
- Данный трансформатор далее питал умножитель напряжения, который еще в несколько раз повышал высокое напряжение, получаемое со вторичной обмотки «строчника».
- Трансформатор вчера и сегодня
- В былые времена, когда импульсная полупроводниковая техника не была еще так популярна как сегодня, трансформаторы питания работали лишь на сетевой частоте — 50 или 60 Гц.
Современная же радиотехническая и электронная аппаратура, такая как блоки питания телевизоров, мониторов, компьютеров и т. д. всюду использует высокочастотные импульсные трансформаторы, преобразующие напряжение с частотой в десятки и сотни кГц.
В таких схемах сетевое переменное напряжение сначала выпрямляется диодами, чтобы получилось 300-310 вольт постоянного напряжения. Затем это постоянное напряжение при помощи инвертора на полевых транзисторах преобразуется в импульсы, следующие с высокой частотой, и подаваемые на первичную обмотку импульсного трансформатора.
Схема питания импульсного трансформатора управляется методом широтно-импульсной модуляции (сокращенно ШИМ), что позволяет стабилизировать напряжение, получаемое со вторичной (вторичных) обмотки (обмоток) импульсного трансформатора. Напряжение со вторичной обмотки импульсного трансформатора выпрямляется, фильтруется и стабилизируется. Так получается постоянное напряжение требуемой для питания того или иного блока величины, например 24 вольта.
- Ниже частота — тяжелее трансформатор
- Раньше сетевые трансформаторы, работающие на частоте сети (50 или 60 Гц) можно было встретить в каждом блоке питания магнитофона, телевизора, радиоприемника, проигрывателя, и это была самая тяжелая деталь прибора, часто довольно большого размера, она занимала много пространства внутри корпуса либо находилась в отдельном выносном тяжелом блоке питания.
- Суть в том, что размер любого трансформатора тем больше, чем больше преобразуемая данным трансформатором мощность, а в случае с сетевым низкочастотным трансформатором («железным») эта зависимость оказывается такой, что номинальная мощность оказывается пропорциональна линейным размерам сердечника в 4 степени!
Но размер трансформатора при той же передаваемой мощности можно уменьшить, для этого необходимо повысить частоту преобразования напряжения, что и реализовано в импульсных трансформаторах современных импульсных блоков питания и инверторов, которые получаются значительно легче именно за счет повышения частоты преобразования благодаря применению транзисторов и значительно более высокочастотных ферромагнитных материалов сердечника нежели трансформаторное железо, которое раньше сплошь и рядом только и применялось в сетевых трансформаторах.
Иногда трансформатор на железе незаменим
Однако, несмотря на недостатки сетевых трансформаторов с тяжелыми железными магнитопроводами, они продолжают использоваться в некоторых исключительных узлах питания, когда необходимо обеспечить минимальный уровень высокочастотных помех и искажений.
- Так, например при конструировании высококачественного лампового акустического усилителя традиционно продолжают применять сетевые трансформаторы как в качестве накальных, так и в качестве анодных.
- Ибо если на ламповый усилитель поставить вместо классического трансформатора импульсный блок питания, то неминуемо возникнут помехи от работы транзисторных ключей и других процессов, свойственных импульсным устройствам, которые ухудшат качество воспроизводимого звука.
- Кроме того именно трансформаторное железо лучше всего передает частоты акустического диапазона, поэтому и выходные трансформаторы в ламповых акустических усилителях — это именно «железные» трансформаторы, которые всегда изготавливают с особой тщательностью.
Применение трансформаторов
Повседневно трансформаторы применяются в электросетях и в источниках питания различных приборов.
Применение в электросетях
Поскольку потери на нагревание провода пропорциональны квадрату тока, проходящего через провод, при передаче электроэнергии на большое расстояние выгодно использовать очень большие напряжения и небольшие токи.
Из соображений безопасности и для уменьшения массы изоляции в быту желательно использовать не столь большие напряжения.
Поэтому для наиболее выгодной транспортировки электроэнергии в электросети многократно применяют трансформаторы: сначала для повышения напряжения генераторов на электростанциях перед транспортировкой электроэнергии, а затем для понижения напряжения линии электропередач до приемлемого для потребителей уровня.
Поскольку в электрической сети три фазы, для преобразования напряжения применяют трёхфазные трансформаторы, или группу из трёх однофазных трансформаторов, соединённых в схему звезды или треугольника. У трёхфазного трансформатора сердечник для всех трёх фаз общий.
Несмотря на высокий КПД трансформатора (для трансформаторов большой мощности — свыше 99 %), в очень мощных трансформаторах электросетей выделяется большая мощность в виде тепла (например, для типичной мощности блока электростанции 1 ГВт на трансформаторе может выделяться мощность до нескольких мегаватт).
Поэтому трансформаторы электросетей используют специальную систему охлаждения: трансформатор помещается в баке, заполненном трансформаторным маслом или специальной негорючей жидкостью. Масло циркулирует под действием конвекции или принудительно между баком и мощным радиатором. Иногда масло охлаждают водой.
«Сухие» трансформаторы используют при относительно малой мощности (до 16000 кВт).
Применение в источниках электропитания
Для питания различных электроприборов требуются самые разнообразные напряжения.
Блоки электропитания в устройствах, которым необходимо несколько напряжений различной величины содержат трансформаторы с несколькими вторичными обмотками или содержат в схеме дополнительные трансформаторы.
Например, в телевизоре с помощью трансформаторов получают напряжения от 5 вольт (для питания микросхем и транзисторов) до 30 киловольт (для питания анода кинескопа).
В прошлом в основном применялись трансформаторы, работающие с частотой электросети, то есть 50-60 Гц.
В схемах питания современных радиотехнических и электронных устройств (например в блоках питания персональных компьютеров) широко применяются высокочастотные импульсные трансформаторы.
В импульсных блоках питания переменное напряжение сети сперва выпрямляют, а затем преобразуют при помощи инвертора в высокочастотные импульсы. Система управления с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) позволяет стабилизировать напряжение.
После чего импульсы высокой частоты подаются на импульсный трансформатор, на выходе с которого, после выпрямления и фильтрации получают стабильное постоянное напряжение.
В прошлом сетевой трансформатор (на 50-60 Гц) был одной из самых тяжёлых деталей многих приборов.
Дело в том, что линейные размеры трансформатора определяются передаваемой им мощностью, причём оказывается, что линейный размер сетевого трансформатора примерно пропорционален мощности в степени 1/4.
Размер трансформатора можно уменьшить, если увеличить частоту переменного тока. Поэтому современные импульсные блоки питания при одинаковой мощности значительно легче.
Трансформаторы 50-60 Гц, несмотря на их недостатки, продолжают использовать в схемах питания, в случая, когда надо обеспечить минимальный уровень высокочастотных помех, например в высококачественном звуковоспроизведении.
Другие применения трансформатораРазделительные трансформаторы (трансформаторная гальваническая развязка). Нейтральный провод электросети может иметь контакт с «землёй», поэтому при одновременном касании человеком фазового провода (а также корпуса прибора с плохой изоляцией) и заземлённого предмета тело человека замыкает электрическую цепь, что создаёт угрозу поражения электрическим током. Если же прибор включён в сеть через трансформатор, касание прибора одной рукой вполне безопасно, поскольку вторичная цепь трансформатора никакого контакта с землёй не имеет.Импульсные трансформаторы (ИТ). Основное применение заключается в передаче прямоугольного электрического импульса (максимально крутой фронт и срез, относительно постоянная амплитуда). Он служит для трансформации кратковременных видеоимпульсов напряжения, обычно периодически повторяющихся с высокой скважностью. В большинстве случаев основное требование, предъявляемое к ИТ, заключается в неискажённой передаче формы трансформируемых импульсов напряжения; при воздействии на вход ИТ напряжения той или иной формы на выходе желательно получить импульс напряжения той же самой формы, но, быть может, иной амплитуды или другой полярности.Измерительные трансформаторы. Применяют для измерения очень больших или очень маленьких переменных напряжений и токов в цепях РЗиА.Измерительный трансформатор постоянного тока. На самом деле представляет собой магнитный усилитель, при помощи постоянного тока малой мощности управляющий мощным переменным током. При использовании выпрямителя ток выхода будет постоянным и зависеть от величины входного сигнала.Измерительно-силовые трансформаторы. Имеют широкое применение в схемах генераторов переменного тока малой и средней мощности (до мегаватта), например, в дизель-генераторах. Такой трансформатор представляет собой измерительный трансформатор тока с первичной обмоткой, включённой последовательно с нагрузкой генератора. Со вторичной обмотки снимается переменное напряжение, которое после выпрямителя подаётся на обмотку подмагничивания ротора. (Если генератор — трёхфазный, обязательно применяется и трёхфазный трансформатор). Таким образом, достигается стабилизация выходного напряжения генератора — чем больше нагрузка, тем сильнее ток подмагничивания, и наоборот.
Согласующие трансформаторы. Из законов преобразования напряжения и тока для первичной и вторичной обмотки (I1=I2w2/w1,U1=U2w1/w2) видно, что со стороны цепи первичной обмотки всякое сопротивление во вторичной обмотке выглядит в (w1/w2)² раз больше.
Поэтому согласующие трансформаторы применяются для подключения низкоомной нагрузки к каскадам электронных устройств, имеющим высокое входное или выходное сопротивление.
Например, высоким выходным сопротивлением может обладать выходной каскад усилителя звуковой частоты, особенно, если он собран на лампах, в то время как динамики имеют очень низкое сопротивление.
Согласующие трансформаторы также исключительно полезны в высокочастотных линиях, где различие сопротивления линии и нагрузки привело бы к отражению сигнала от концов линии, и, следовательно, к большим потерям.
Фазоинвертирующие трансформаторы.
Трансформатор передаёт только переменную компоненту сигнала, поэтому даже если все постоянные напряжения в цепи имеют один знак относительно общего провода, сигнал на выходе вторичной обмотки трансформатора будет содержать как положительную, так и отрицательную полуволны, причём, если центр вторичной обмотки трансформатора подключить к общему проводу, то напряжение на двух крайних выводах этой обмотки будет иметь противоположную фазу. До появления широко доступных транзисторов с npn типом проводимости фазоинвертирующие трансформаторы применялись в двухтактных выходных каскадах усилителей, для подачи противоположных по полярности сигналов на базы двух транзисторов каскада. К тому же, из-за отсутствия «ламп с противоположным зарядом электрона», фазоинвертирующий трансформатор необходим в ламповых усилителях с двухтактным выходным каскадом.
Потери в трансформаторах
Степень потерь (и снижения КПД) в трансформаторе зависит, главным образом, от качества, конструкции и материала «трансформаторного железа» (электротехническая сталь). Потери в стали состоят в основном из потерь на нагрев сердечника, на гистерезис и вихревые токи.
Потери в трансформаторе, где «железо» монолитное, значительно больше, чем в трансформаторе, где оно составлено из многих секций (так как в этом случае уменьшается количество вихревых токов). На практике монолитные сердечники не применяются.
Для снижения потерь в магнитопроводе трансформатора магнитопровод может изготавливаться из специальных сортов трансформаторной стали с добавлением кремния, который повышает удельное сопротивление железа электрическому току, а сами пластины лакируются для изоляции друг от друга.
Режим работы трансформаторов
1. Режим холостого хода. Данный режим характеризуется разомкнутой вторичной цепью трансформатора, вследствие чего ток в ней не течёт. С помощью опыта холостого хода можно определить КПД трансформатора, коэффициент трансформации, а также потери в стали.
2. Нагрузочный режим. Этот режим характеризуется замкнутой на нагрузке вторичной цепи трансформатора. Данный режим является основным рабочим для трансформатора.
3. Режим короткого замыкания. Этот режим получается в результате замыкания вторичной цепи накоротко. С его помощью можно определить потери полезной мощности на нагрев проводов в цепи трансформатора. Это учитывается в схеме замещения реального трансформатора при помощи активного сопротивления.
Габаритная мощность
Габаритная мощность трансформатора описывается следующей формулой:
Pгаб=(P1 + P2)/2=(U1I1 + U2I2)/2
- 1 — первичной обмотки
- 2 — вторичной обмотки
Однако, это конечный результат. Или академическое определение. Изначально габаритная мощность, как следует из названия, определяется габаритами сердечника и материалом, его магнитными и частотными свойствами.
КПД трансформатораКПД трансформатора находится по следующей формуле:
где
P0 — потери холостого хода (кВт) при номинальном напряженииPL — нагрузочные потери (кВт) при номинальном токеP2 — активная мощность (кВт), подаваемая на нагрузкуn — относительная степень нагружения (при номинальном токе n=1). кпд, холостой ход, трансформатор, обмотки 
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.[ Регистрация | Вход ]
Новости сайта ukrelektrik.com
Последние статьи ukrelektrik.com
Последние ответы на форуме ukrelektrik.com
Заземление, зануление rashpilek1975 Alexzhuk / 37 Электроотопление IusCoin Multiki / 68 Всё обо всём — общение 2alpilip Наде4ка / 29
Применение трансформаторов
Главной функцией трансформатора является преобразование электричества из энергии одного показателя напряжения в энергию, имеющую другое значение.
Представленные на современном рынке установки делятся на несколько групп в зависимости от числа фаз, количества обмоток, места установки, назначения (подробнее читайте в статье о классификации трансформаторов), группы обмотки и способа охлаждения. Но в данной статье мы хотим поговорить о разных сферах применения оборудования и их особенностях.
Применение трансформаторов в электросетях
Потери энергии на нагрев провода прямопропорциональны значению квадрата тока, который проходит через провод. При передаче электроэнергии на значительные расстояния выгодно использовать малые токи и значительные напряжения.
Из соображений безопасности, а также в целях уменьшения массы слоя изоляции в быту следует использовать средние напряжения – для выгодной транспортировки энергии в сети и применяются трансформаторы.
Устройства сначала увеличивают напряжение генераторов на станциях перед тем, как транспортировать ток, а затем понижают напряжение в линии до оптимальной отметки.
Электросеть имеет три фазы, поэтому в целях преобразования напряжения в ней применяются трехфазные трансформаторы. Сердечник у такого устройства общий для всех фаз.
Несмотря на высокий рабочий КПД оборудования, в мощных установках выделяется большое количество тепла – поэтому возникает потребность в применении специальной системы охлаждения.
Трансформатор помещают в бак, заполненный техническим маслом или специальной жидкостью, которое начинает циркулировать под воздействием конвекции либо между радиаторов и баком в принудительном порядке. В ряде случаев масло может охлаждаться водой.
Применение трансформаторов в источниках электропитания
Для питания электрических приборов требуются разные напряжения.
Блоки электропитания в тех устройствах, которым требуется несколько напряжений, содержат трансформаторы с набором вторичных обмоток или дополнительные трансформаторы в рабочей схеме.
Ранее применялись устройства, работающие с частотой 50-60 Гц, схемы питания современных электронных, а также радиотехнических приборов предполагают применение импульсных высокочастотных трансформаторов.
В импульсных источниках переменное напряжение сети сначала выпрямляется, а потом преобразуется с применением инвертора в импульсы высокой частоты.
Система управления широтно-импульсной модуляцией эффективно стабилизирует напряжение, импульсы высокой частоты поступают на импульсный трансформатор.
Если проводить ремонт трансформатора своевременно и на высоком уровне, такое оборудование прослужит вам максимально долго.
Другие сферы применения трансформатора
Также трансформаторы используются для:
- обеспечения контакта с землей и, соответственно, защиты от поражения током;
- передачи прямоугольного электрического импульса, трансформирующего кратковременные видеоимпульсы напряжения, повторяющиеся периодически (искажений быть не должно);
- измерения очень маленьких или наоборот больших переменных напряжений, токов;
- магнитного усиления переменного тока;
- стабилизации выходного напряжения генератора (выше нагрузка – сильнее намагничивание тока, и наоборот);
- подключения низкоомной нагрузки в том случае, если каскады электронных устройств имеют высокие показатели сопротивления входа или выхода;
- передачи только переменной компоненты сигнала.
При этом степень потерь во время работы трансформатора будет зависеть от конструкции устройства и его материала.
Трансформатор
У этого термина существуют и другие значения, см. Трансформатор (значения).
Эле́ктротрансформа́тор, в разговорной речи чаще просто трансформа́тор (от лат.
transformare — «превращать, преобразовывать») — статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты[1][2].
Трансформатор осуществляет преобразование переменного напряжения и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения — электроэнергетике, электронике и радиотехнике.
Конструктивно трансформатор может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных либо ленточных обмоток (катушек), охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнитомягкого материала.
Трансформатор силовой ОСМ 0,16 — Однофазный Сухой Многоцелевого назначения мощностью 0,16 кВА
История
Для создания трансформаторов необходимо было изучение свойств материалов: неметаллических, металлических и магнитных, создания их теории[3].
В 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции, лежащее в основе действия электрического трансформатора, при проведении им основополагающих исследований в области электричества.
29 августа 1831 года Фарадей описал в своём дневнике опыт, в ходе которого он намотал на железное кольцо диаметром 15 см и толщиной 2 см два медных провода длиной 15 и 18 см. При подключении к зажимам одной обмотки батареи гальванических элементов начинал отклоняться гальванометр на зажимах другой обмотки.
Так как Фарадей работал с постоянным током, при достижении в первичной обмотке его максимального значения, ток во вторичной обмотке исчезал, и для возобновления эффекта трансформации требовалось отключить и снова подключить батарею к первичной обмотке.
Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось в 1831 году в работах М. Фарадея и Д. Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своём приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжений и токов, то есть трансформирование переменного тока[4].
В 1848 году немецкий механик Г. Румкорф изобрёл индукционную катушку особой конструкции. Она явилась прообразом трансформатора[3].
Александр Григорьевич Столетов (профессор Московского университета) сделал первые шаги в этом направлении. Он обнаружил петлю гистерезиса и доменную структуру ферромагнетика (1872 год).
30 ноября 1876 года, дата получения патента Павлом Николаевичем Яблочковым[5], считается датой рождения первого трансформатора переменного тока. Это был трансформатор с разомкнутым сердечником, представлявшим собой стержень, на который наматывались обмотки.
Первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 году братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон[4].
В 1885 г. венгерские инженеры фирмы «Ганц и К°» Отто Блати, Карой Циперновский и Микша Дери изобрели трансформатор с замкнутым магнитопроводом, который сыграл важную роль в дальнейшем развитии конструкций трансформаторов.
Братья Гопкинсон разработали теорию электромагнитных цепей[3]. В 1886 году они научились рассчитывать магнитные цепи.
Эптон, сотрудник Эдисона, предложил делать сердечники наборными, из отдельных листов, чтобы снизить потери на вихревые токи.
Большую роль для повышения надёжности трансформаторов сыграло введение масляного охлаждения (конец 1880-х годов, Д. Свинберн). Свинберн помещал трансформаторы в керамические сосуды, наполненные маслом, что значительно повышало надёжность изоляции обмоток[6].
Максимальное использование возможностей источников бесперебойного питания (ИБП)
- Симметрирующие трансформаторы для максимального использования возможностей
- трехфазных и однофазных источников бесперебойного питания (ИБП).
- В настоящее время широкое распространение получили системы централизованного бесперебойного питания.
Если Потребитель использует однофазную систему бесперебойного питания мощностью 10кВА и более, то в трехфазной питающей сети возникает неравномерное распределение нагрузки по трем фазам, т.е несимметрия токов.
Если при этом одна фаза будет нагружена на 100%, а две другие — на 10-30% или совсем не нагружены, то возникает значительный перекос фаз. В нагруженной фазе напряжение будет пониженным, а в не нагруженных — повышенным, что также приводит к несимметрии линейных напряжений 380В.
Как показывают исследования, 10% неисправностей случаются по причине неравномерной загрузки. Это, в свою очередь также влечет за собой появление других негативных эффектов, возникновение гармоник тока и напряжений, а также выливается в значительное снижение сроков службы оборудования.
При нелинейных нагрузках, например, компьютерных или телевизионных, возникают нелинейные искажения, а также большой ток в нулевом рабочем проводнике.
Трехфазные источники бесперебойного питания (ИБП) имеют важное преимущество по сравнению с однофазными ИБП. Они эффективно разгружают нулевой рабочий проводник и способствуют более безопасной и надежной работе больших компьютерных систем. Таким образом, удается полностью защититься от помех по входной нейтрали, которые широко распространены в промышленных районах.
Однако, применение трехфазных ИБП не исключает неравномерное распределение нагрузки на выходе трехфазного ИБП.
Так, если одна фаза трехфазного ИБП нагружена на 95%, а две другие — на 40% и на 50%, и есть необходимость подключения трехфазной нагрузки на 20% номинальной мощности, то, в этом случае, надо менять трехфазный ИБП на более мощный. Это затратно.
Выход — подключение фильтросимметрирующего трансформатора ТСТ2 (ТСТ), который позволит автоматически перераспределить нагрузки между фазами, что не потребует увеличение мощности ИБП.
Трехфазные источники бесперебойного питания (ИБП) обычно предназначаются для непрерывной круглосуточной работы.
Работа нагрузки должна обеспечиваться при любых сбоях питания, поэтому к надежности трехфазных ИБП предъявляются повышенные требования.
Поэтому для максимального использования возможностей источников бесперебойного питания (ИБП) целесообразно применение симметрирующих трансформаторов (ТСТ2-ОР(3Х1), ТСТ2-О(3Х1), ТСТ2, ТСТ2-О, ТСТ2-ОР).