Трансформатор

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Трансформатор
Трифазний силовий трансформатор
Силовий трансформатор 110/35/10кВ потужністю 63МВА


Трансформа́тор (від лат. transformo — перетворювати) — пристрій для перетворення параметрів (амплітуд і фаз) напруг і струмів[1]

Трансформатор — статичний електромагнітний пристрій, що має дві або більше індуктивно зв'язані обмотки і призначений для перетворення за допомогою електромагнітної індукції однієї або кількох систем (напруг) змінного струму в одну або декілька інших систем (напруг) змінного струму без зміни частоти системи (напруги) змінного струму[2].

Трансформатори широко застосовуються в лініях електропередач, в розподільних та побутових пристроях. При високій напрузі й малій силі струму передача електроенергії відбувається з меншими втратами. Тому, зазвичай лінії електропередач є високовольтними. Водночас побутові й промислові машини вимагають великої сили струму й малої напруги, тому перед споживанням електроенергія перетворюється в низьковольтну. Трансформатори знайшли застосування також у різних випрямних, підсилювальних, сигналізаційних та інших пристроях.

Коефіцієнт корисної дії сучасних трансформаторів, особливо підвищеної потужності, вельми високий і досягає значень 0,95…0,996.

Історична довідка[ред.ред. код]

У 1831 році англійським фізиком Майклом Фарадеєм при проведенні ним основоположних досліджень було відкрите явище електромагнітної індукції, що лежить в основі принципу роботи електричного трансформатора.

Вперше трансформатори, як такі були продемонстровані в 1882 році[3], хоча ще в 1876 році Яблочков П. М. запатентував (патент Франції № 115793 від 30 листопада 1876 року[4]) аналогічний пристрій для створених ним освітлювальних пристроїв — «свічок Яблочкова»[5] [6]. Це був трансформатор з розімкнутим сердечником, у вигляді стрижня, на який намотувались обмотки.

У 1885 р. угорські інженери фірми «Ganz factory» Отто Блаті, Карой Зіперновскі і Мікша Дері винайшли трансформатор із замкнутим магнітопроводом, що зіграло важливу роль у подальшому розвитку конструкцій трансформаторів[7].

Велику роль для підвищення надійності трансформаторів зіграло застосування масляного охолодження (кінець 1880-х років, Д. Свінберн). Д. Свінберн розташовував трансформатори у керамічних посудинах, заповнених оливою, що суттєво підвищувало надійність ізоляції обмоток.[8]

Винахід трансформатора був важливим фактором у так званій війні струмів — конкурентній боротьбі за те, який електричний струм, постійний чи змінний ефективніший для масового користування.

З винайденням трансформатора виник технічний інтерес до змінного струму. Електротехнік російського походження М. О. Доліво-Добровольський у 1889 р. розробив для німецької фірми «Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft» перший трифазний трансформатор[9]. На електротехнічній виставці у Франкфурті-на-Майні у 1891 р. Доліво-Добровольський демонстрував дослідну високовольтну електропередачу трифазного струму на відстань 175 км. Трифазний генератор мав потужність 230 кВт при напрузі 95 В.

У 1891 році Нікола Тесла винайшов резонансний трансформатор для генерування високої напруги при високій частоті[10][11][12]

Схематична будова ідеального трансформатора

Будова й принцип дії[ред.ред. код]

Підключення трансформатора у схемі

Найпростіший трансформатор складається з обмоток на спільному осерді. Одна з обмоток під'єднана до джерела змінного струму. Ця обмотка називається первинною. Інша обмотка, вторинна, служить джерелом струму для навантаження. Створений струмом у первинній обмотці змінний магнітний потік викликає появу е.р.с. у вторинній обмотці, оскільки обидві обмотки мають спільне осердя. Співвідношення е.р.с. у вторинній обмотці й напруги на первинній залежить від кількості витків у обох обмотках. В ідеальному випадку


\frac{U_{S}}{U_{P}} = \frac{N_{S}}{N_{P}} = \frac{I_P}{I_S}
,

де індексом P позначені величини, що стосуються первинної обмотки, а індексом S — відповідні величини для вторинної обмотки, U — напруга, N — кількість витків, I — сила струму.

Таким чином, перетворення напруги й сили струму в трансформаторі визначається кількістю витків у первинній та вторинній обмотках. Напруга пропорційна кількості витків, тоді як сила струму обернено пропорційна їй.

Втрати енергії[ред.ред. код]

У реальних трансформаторах енергія не передається від первинного кола до вторинного без втрат. Існує низка фізичних причин, що їх зумовлюють.

Однією з причин втрат є активний опір обмоток. При протіканні струму через трансформатор, він нагрівається і віддає тепло оточенню. При високій частоті опір збільшується завдяки скін-ефекту та ефекту близькості, які зменшують площу перерізу провідника, через який протікає струм.

Ще одна причина втрат — перемагнічування осердя завдяки гістерезису. Ці втрати для конкретної речовини осердя пропорційні частоті й залежать від пікового потоку магнітного поля через осердя.

Інша причина втрат — струми Фуко. Змінне магнітне поле в осерді породжує змінне вихрове електричне поле, яке викликає додаткові вихрові струми, що теж призводять до нагрівання. Для зменшення струмів Фуко осердя виготовляють із тонких пластинок, оскільки втрати, пов'язані зі струмами Фуко, обернено квадратично залежать від товщини матеріалу.

Частина енергії втрачається на механічні коливання. Феромагнітний матеріал осердя розширюється і стискається у змінному магнітному полі завдяки явищу магнітострикції. Цим пояснюється гудіння трансформатора, що супроводжує його роботу. Додатково, первинна й вторинна обмотка притягаються й відштовхуються у змінному магнітному полі, змушуючи також коливатися і корпус трансформатора.

Магнітний потік, що виходить за межі осердя, сам по собі не призводить до втрати енергії, але він може призводити до появи вихрових струмів Фуко в металевих деталях корпусу й кріплення, що теж зумовлює невеликі втрати енергії.

Загалом, великі трансформатори мають коефіцієнт корисної дії, до 98%[13]. Трансформатори з надпровідних матеріалів можуть збільшити цей коефіцієнт до 99,85%[14].

Втрати у трансформаторах залежать від навантаження. Втрати без навантаження зумовлені в основному опором обмоток, тоді як причиною втрат при повному навантаженні зазвичай є гістерезис та вихрові струми. Втрати при відсутності навантаження можуть бути значними, тому навіть, якщо до вторинної обмотки нічого не підключено, трансформатори повинні задовольняти умовам економної роботи. Конструювання трансформаторів із малими втратами вимагає великого осердя, високоякісної електротехнічної сталі, товстіших провідників, що збільшує початкові затрати, але окупається при експлуатації[15].

Режими роботи трансформатора[ред.ред. код]

Режим холостого ходу[ред.ред. код]

Трансформатор може працювати в режимі холостого ходу, коли вторинне коло розімкнене (навантаження відсутнє), тобто Z_S = \infty ; I_S = 0. За допомогою дослідження холостого ходу можна визначити ККД трансформатора, коефіцієнт трансформації, а також втрати в осерді.

У режимі холостого ходу для трансформатора з сердечником з магнітом'якого матеріалу струм холостого ходу характеризує величину втрат в осерді (на вихрові струми і на гістерезис) та реактивну потужність перемагнічування магнітопроводу. Потужність втрат можна обчислити, помноживши активну складову струму холостого ходу на напругу, що подається на трансформатор.

Для трансформатора без феромагнітного осердя втрати на перемагнічування відсутні, і струм холостого ходу визначається опором індуктивності первинної обмотки, який пропорційний до частоти змінного струму та величини індуктивності.

Режим короткого замикання[ред.ред. код]

Режим короткого замикання можна отримати в результаті замикання вторинної обмотки на коротко. Це аварійний режим, що може призвести до виходу з ладу трансформатора. При цьому струм у вторинній обмотці може бути у 20…30 разів більшим за номінальний. Тому слід відрізняти режим короткого замикання від досліду короткого замикання. За допомогою останнього можна визначити втрати корисної потужності на нагрівання проводів в колі трансформатора.

При дослідженні режиму короткого замикання, на первинну обмотку трансформатора подається змінна напруга невеликої величини, виводи вторинної обмотки закорочують. Величину напруги на вході встановлюють такою, щоб струм короткого замикання дорівнював номінальному (розрахунковому) струму трансформатора. У таких умовах величина напруги короткого замикання характеризує втрати в обмотках трансформатора, втрати на омічний опір. Потужність втрат можна обчислити помноживши напругу короткого замикання на струм короткого замикання.

Даний режим широко використовується у вимірювальних трансформаторах струму.

Режим навантаження[ред.ред. код]

Режим роботи трансформатора при якому вторинна обмотка замкнута на опір називається режимом роботи трансформатора під навантаженням. При такому режимі роботи у вторинній обмотці буде протікати струм IS, який створить свій магнітний потік ΦS, який за правилом Ленца має зменшити зміни магнітного потоку в осерді. Це призводить до автоматичного збільшення сили струму в колі первинної обмотки. Збільшення сили струму в колі первинної обмотки відбувається згідно із законом збереження енергії:

N_P \approx N_S або I_P \cdot U_P \approx  I_S \cdot U_S або \frac{U_P}{U_S} \approx \frac{I_S}{I_P}.

Це означає, що підвищуючи за допомогою трансформатора напругу у кілька разів, ми в стільки ж разів зменшуємо силу струму (та навпаки). Отже, трансформатор перетворює змінний струм таким чином, що добуток сили струму на напругу приблизно однаковий у первинній і вторинній обмотках.

Різновиди[ред.ред. код]

Умовні графічні позначення силових трансформаторів
circuit symbol Трансформатор з двома обмотками на феромагнітному осерді
circuit symbol Трансформатор з трьома обмотками. Крапками позначені початки обмоток, стосовно напрямку намотування
circuit symbol Трансформатор з електростатичним екраном для усунення ємнісного зв'язку між обмотками

Силовий трансформатор[ред.ред. код]

Силовий трансформатор — стаціонарний прилад з двома або більше обмотками, який за допомогою електромагнітної індукції перетворює систему змінної напруги та струму в іншу систему змінної напруги та струму, як правило, різних значень при тій же частоті з метою передачі електроенергії без зміни її потужності при передаванні[16][17].

Силовий трансформатор використовується для перетворення параметрів електричної енергії в електричних мережах і устаткуванні, що застосовуються для приймання та споживання електричної енергії[18]. Силовий трансформатор застосовується у складі комплектних трансформаторних підстанцій для пониження напруги при подачі електроенергії населеним пунктам.

Термін «силовий» вказує на роботу даного виду трансформаторів з великими потужностями. Необхідність застосування силових трансформаторів зумовлена ​​різною величиною робочих напруг ліній електропередач (35…750 кВ), міських електромереж (як правило 6…10 кВ), напруги що подається кінцевим споживачам (0,4 кВ, вони ж 380/220 В) та напруги, необхідної для роботи електромашин і електроприладів (у досить широкому діапазоні від одиниць вольт до сотень кіловольт).

Силові трансформатори поділяються на сухі, найчастіше використовуються в електромережах і в джерелах живлення різних приладів, і масляні, що працюють при напругах від 6кВ і вище. Масляні трансформатори відрізняються від сухих тим, що як ізоляційне та охолоджувальне середовище застосовується спеціальна трансформаторна олива. Силові масляні трансформатори переважно призначаються для пониження напруги електромереж.

Умовна графічна познака автотрансформа- тора з трьома виводами

Автотрансформатор[ред.ред. код]

Автотрансформатор — трансформатор, дві або більше обмоток якого мають спільну частину[19]. Це є варіант виконання силового трансформатора, в якому первинна і вторинна обмотки сполучені безпосередньо, і мають за рахунок цього не тільки електромагнітний зв'язок, а й електричний. Обмотка автотрансформатора має декілька виводів (як мінімум 3), при підключенні до яких, можна отримувати різні напруги.

Перевагою автотрансформатора є вищий ККД, оскільки лише частина потужності піддається перетворенню — це особливо суттєво, коли вхідна і вихідна напруги відрізняються незначно. Недоліком є відсутність електричної ізоляції (гальванічної розв'язки) між первинним і вторинним колом. У промислових мережах, де наявність заземлення нульового проводу обов'язкова, цей чинник ролі не грає, зате суттєвою є менша витрата сталі для осердя, міді для обмоток, менша вага і габарити, і в результаті — менша вартість.

Застосування автотрансформаторів економічно виправдане замість звичайних трансформаторів для сполучення ефективно заземлених мереж з напругою 110 кВ і вище при коефіцієнтах трансформації не більших за 3…4.

Вимірювальний трансформатор[ред.ред. код]

Використання трансформаторів струму у вимірювальному устаткуванні для вимірювання струму у трифазних лініях живлення зі струмом до 400 А
Трансформатори напруги для високовольтних мереж

Вимірювальний трансформатор (англ. instrument transformer[20]) — трансформатор, призначений для пересилання інформаційного сигналу вимірювальним приладам, лічильникам, пристроям захисту і (або) керування[21]. Вимірювальні трансформатори поділяються на трансформатори струму і трансформатори напруги.

Трансформатор струму — вимірювальний трансформатор, в якому за нормальних умов роботи вторинний струм практично пропорційний первинному і зсув фаз між ними близький до нуля[21].

Вимірювальний трансформатор струму — трансформатор, який призначений для перетворення струму до значення, зручного для виміру. Первинна обмотка трансформатора струму включається послідовно у ланцюг зі змінним струмом, що вимірюється. А у вторинну включаються вимірювальні прилади. Струм, що протікає по вторинній обмотці трансформатора струму, пропорційний струму, що протікає у його первинній обмотці.

Трансформатори струму широко використовуються для вимірювання електричного струму й у пристроях релейного захисту електроенергетичних систем, у зв'язку з чим на них накладаються високі вимоги по точності. Трансформатори струму забезпечують безпеку вимірювань, ізолюючи вимірювальні ланцюги від первинного ланцюга з високою напругою, яка часто складає сотні кіловольт.

Зазвичай, трансформатор струму виготовляється з двома і більше групами вторинних обмоток: одна використовується для підключення пристроїв захисту, інша, точніша — для підключення засобів обліку і вимірювання (наприклад, лічильників електроенергії).

Трансформатор напруги — вимірювальний трансформатор, у якому за нормальних умов використання вторинна напруга пропорційна первинній напрузі та за умови правильного вмикання зміщена відносно неї за фазою на кут, близький до нуля[21].

Трансформатор напруги використовується для перетворення високої напруги в низьку в колах релейного захисту та контрольно-вимірювальних приладів і автоматики. Застосування трансформатора напруги дозволяє ізолювати логічні кола захисту і кола вимірювання від кіл високої напруги.

Імпульсний трансформатор[ред.ред. код]

Імпульсний трансформатор — трансформатор з феромагнітним осердям, для перетворення імпульсів електричного струму або напруги з тривалістю імпульсу до десятків мікросекунд з мінімальним спотворенням форми імпульсу. Імпульсні трансформатори в радіолокації, імпульсному радіозв'язку, автоматиці і обчислювальній техніці служать для узгодження джерела імпульсів з навантаженням, зміни полярності імпульсів, розділення електричних ланцюгів по постійному і змінному струму додавання сигналів, запалювання імпульсних ламп тощо.

Робота імпульсного трансформатора істотно відрізняється під час формування фронту і вершини імпульсу. Для кращої передачі фронту і спаду імпульсу необхідно, щоб міжвиткова ємність обмоток, паразитні ємності монтажу і індуктивність розсіяння імпульсного трансформатора були мінімальними. Зменшення міжвиткових ємностей досягається використанням сердечників малих розмірів, відповідним намотуванням і взаємним розташуванням обмоток, а також зменшенням числа витків (при цьому знижується коефіцієнт трансформації). В імпульсних трансформаторах застосовують сердечники з пермалою, кремнистої трансформаторної сталі, феритів та інших матеріалів з високою магнітною проникністю.

Резонансний трансформатор[ред.ред. код]

Резонансний трансформатор — трансформатор, що працює на резонансній частоті коливального контура утвореного однією або декількома із його обмоток підключенням до електричного конденсатора. У резонансного трансформатора зазвичай вторинна обмотка виконує роль індуктивності у коливальному контурі, утвореному разом з конденсатором. Коли на первинну обмотку подати періодичний струм у вигляді прямокутних чи пилкоподібних імпульсів на резонансній частоті, кожен імпульс струму дає поштовх коливанням індукованого струму у вторинній котушці. У зв'язку з резонансом можуть досягатись великі значення напруги, поки вона не буде обмежена якимось процесом, таким як електричний пробій. Такі пристрої використовуються для створення високої змінної напруги, що не може бути досягнутою на таких електростатичних машинах, як електростатичний генератор Ван де Граафа чи електрофорна машина.

Приклади:

Примітки[ред.ред. код]

  1. ДСТУ 2815-94 Електричні й магнітні кола та пристрої. Терміни та визначення.
  2. ГОСТ 16110-82 Трансформаторы силовые. Термины и определения.
  3. Allan D.J. Power Transformers – The Second Century // Power Engineering Journal, 5 (Jan. 1991) (1) С. 5-14.
  4. Iablochkov, Pavel Nikolaevich на сайті TheFreeDictionary.com Farlex, Inc.
  5. «Stanley Transformer». Los Alamos National Laboratory; University of Florida. Архів оригіналу за 2013-06-26. Процитовано Jan. 9, 2009. 
  6. De Fonveille W. Gas and Electricity in Paris // Nature, 21 (Jan. 22, 1880) (534). Процитовано Jan. 9, 2009.
  7. Hughes, Thomas P. Networks of Power: Electrification in Western Society, 1880–1930. Baltimore: The Johns Hopkins University Press, 1993. — p. 95. ISBN 0-8018-2873-2.
  8. Савинцев Ю. М Силовые трансформаторы: основные вехи развития.
  9. Neidhöfer, Gerhard; in collaboration with VDE "History of Electrical Engineering" Committee (2008). Michael von Dolivo-Dobrowolsky and Three-Phase: The Beginnings of Modern Drive Technology and Power Supply (German) (вид. 2). Berlin: VDE-Verl. ISBN 978-3-8007-3115-2. 
  10. Uth, Robert (Dec. 12, 2000). «Tesla Coil». Tesla: Master of Lightning. PBS.org. Архів оригіналу за 2013-06-26. Процитовано 2008-05-20. 
  11. Tesla, Nikola. «System of Electrical Lighting». U.S. Patent 454 622, issued June 23, 1891. Архів оригіналу за 2013-06-26. 
  12. Патент США № 568 176 від 22 вересня 1896. Apparatus for producing electric currents of high frequency and potential. Опис патенту на сайті Бюро по реєстрації патентів і торгових марок США.
  13. Kubo, T.; Sachs, H.; Nadel, S. (2001). Opportunities for new appliance and equipment efficiency standards (PDF). American Council for an Energy-Efficient Economy. с. 39. Процитовано June 21, 2009. 
  14. Riemersma H., et al.' Application of Superconducting Technology to Power Transformers // IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, PAS-100 (1981) (7). — DOI:10.1109/TPAS.1981.316682.
  15. Heathcote, Martin (November 3, 1998). J & P Transformer Book, Twelfth edition. Newnes. с. 41–42. ISBN 0750611588. 
  16. ДСТУ ГОСТ 30830-2003 (IEC 60076-1-93) Трансформатори силові. Частина 1. Загальні положення (ГОСТ 30830-2002 (IEC 60076-1-93). IDT)
  17. «Power transformer» у Міжнародному електротехнічному словнику (IEV 421-01-01)
  18. ДСТУ 2790-94 Системи електропостачальні номінальною напругою понад 1000 В: джерела, мережі, перетворювачі та споживачі електричної енергії. Терміни та визначення.
  19. ДСТУ 3270-95 Трансформатори силові. Терміни та визначення.
  20. «Instrument transformer» в IEV ref 321-01-01
  21. а б в ДСТУ 2976-94 Трансформатори струму й напруги. Терміни та визначення.

Джерела[ред.ред. код]

Посилання[ред.ред. код]