Современные трансформаторы делятся по назначению на силовые, специальные, измерительные и радиотехнические. К силовым относятся трансформаторы, которые передают потребителю электрическую энергию. Это мощные понижающие трансформаторы на подстанциях, а также более привычные нам бытовые, служащие для питания наших бытовых устройств. Такие трансформаторы используются в телевизорах, магнитофонах, плеерах и другой технике, а также находились в более ранних моделях зарядных устройств мобильных телефонов. К специальным можно отнести сварочные трансформаторы. Измерительные трансформаторы - это трансформаторы тока и напряжения, служащие для подключения электроизмерительных приборов. О них мы поговорим в конце. К радиотехническим относят очень маломощные трансформаторы и трансформаторы, работающие на повышенной частоте.
Обычный понижающий трансформатор был изобретен в 1878г. русским ученым Павлом Николаевичем Яблочковым. Самый простой трансформатор переменного тока состоит из двух не соединяющихся никак друг с другом катушек(рис.1), намотанных на стальной сердечник или, что то же самое, магнитопровод(рис.2). По своему устройству магнитопровод подразделяется на П-образный(рис.2 справа) и Ш-образный(рис.2 слева). Различают еще броневой, или ленточный, тип магнитопровода (рис.1).
трансформаторсердечникКатушки могут быть намотаны как по отдельности(рис.1), так и одна поверх другой(рис.3). Катушка, концы которой подключаются к источнику напряжения, называется первичной катушкой(или обмоткой). Другая, с которой снимается нужное нам пониженное напряжение, называется вторичной катушкой(или обмоткой). На рис.4 схематично показан один из вариантов расположения катушек трансформатора на магнитопроводе. Если подключить источник переменного тока к первичной обмотке, то возникнет магнитное поле, сила и напрвление которого будут меняться с частотой питающего напряжения. Силовые линии этого поля проходят обычно внутри магнитопровода. Также обмотку трансформатора с большим числом витков называют обмоткой высшего напряжения(ВН), а с меньшим - обмоткой низшего напряжения(НН). Обозначение трансформатора на электрических схемах приведено на рис.5. При необходимости в обозначении трансформатора концы обмотки ВН маркируют большими буквами, а НН - малыми.
Устройство трансформатораобозначение трансформатораПри необходимости в обозначении трансформатора концы обмотки ВН маркируют большими буквами, а НН - малыми.
Причиной возникновения вторичного напряжения (напряжения во вторичной катушке) является магнитное переменное поле первичной катушки. Это поле едино для всего магнитопровода, а значит и для обоих катушек. Поэтому между ними и образуется связь по напряжению. Поскольку скорость изменения магнитного потока для обеих катушек одинакова и обе катушки поэтому пересекаются одинаковым числом силовых линий, то степень преобразования напряжения зависит только от числа витков. Вышеизложенную мысль поясняет тот факт, что напряжения в катушках трансформатора относятся друг к другу как числа витков, т.е. соотношение напряжений и витков.Подобное соотношение получило название коэффициента трансформации. Следовательно, коэффициент трансформации любого трансформатора можно найти как: коэффициент трансформации Если к трансформатору подключить нагрузку, то первичная обмотка будет потреблять ту же мощность(если пренебречь малыми потерями), что и вторичная. Т.е., если, скажем, ко вторичной обмотке с напряжением 12В вы подключите 12-вольтовую лампочку мощностью 60Вт, то ваш электросчетчик воспримет это будто бы к сети 220В подключена лампа 60Вт. А расчеты здесь таковы. Во вторичной обмотке ток составит 60Вт/12В=5А. В первичной обмотке трансформатора, а значит и через счетчик ток составит 60Вт/220В=0,27А.
Из этого следует соотношение токов в обмотках:соотношение для токов обмоток Следовательно, с помощью трансформатора можно получать высокие напряжения и малую силу тока, а также низкое напряжение и большую силу тока. В качестве КПД трансформатора принимают отношение мощности во вторичной обмотке к мощности в первичной:КПД трансформатора.
КПД трансформатора всегда большой и составляет обычно от 96% до 99%. Отклонение от идеального случая, когда КПД=100%, объясняются потерями в самом трансформаторе. Например, ввиду того, что обмотки выполняются медными, а значит обладают каким-то сопротивлением, происходит их нагревание при прохождении тока.
В самом сердечнике трансформатора возникают потери от так называемых вихревых токов. Снижают эти потери тем, что набирают сердечник из отдельных изолированных друг от друга лаком листов.
Также в материале сердечника элементарные магнитики (атомы) постоянно поворачиваются в направлении переменного магнитного поля, обусловленного переменным напряжением (током). На это идут затраты энергии, которые называют затратами на гистерезис. Их снижают путем выполнения сердечника из материала, который требует незначительных затрат энергии на перемагничивание. Обычно для этих целей служит специальная электротехническая сталь.

Еще один вопрос, который часто возникает о трансформаторах - это питание нагрузки от нескольких трансформаторов, включенных параллельно. Такая идея возникает, когда мощности одного имеющегося трансформатора недостаточно для питания нагрузки. Для этого необходимо знать условия параллельной работы. Для включения на параллельную работу трансформаторы должны иметь:

1)одинаковые коэффициенты трансформации(либо с разницей не более 0,5%), иначе между их вторичными обмотками будет циркулировать уравнительный ток, который даже при небольшой разнице в коэффициентах трансформации может привести к опасному перегреву;

2)одинаковые напряжения короткого напряжения uk, %, иначе они не смогут делить нагрузку пропорционально своим мощностям. Т.е. одни трансформаторы будут недогружены, а другие перегружены. Обычно эта величина указана в паспорте трансформатора. Однако, если величина напряжения короткого замыкания все же не известна, надо ориентироваться по мощностям применяемых трансформаторов. Они не должны отличаться между собою более чем на 10%;

3)для 3-х фазных трансформаторов необходимо еще условие соблюдения одинаковой группы соединений. Однако, такая необходимость очень редка, поэтому мы ее пропустим. Но на всякий случай знать это необходимо.

Необходимо помнить, что при параллельном включении трансформаторов требуется правильно соединить между собою концы вторичных обмоток. Они должны быть соединены синфазно. Если концы вторичной обмотки соединить не согласовано, система питания работать не будет.
Для правильного выбора вторичных выводов двух трансформаторов необходимо в разрыв вторичной обмотки любого из двух включить вольтметр. Если выводы подключены правильно, то стрелка вольтметра не отклонится. При неправильном согласовании вторичных обмоток вольтметр покажет суммарное значение вторичного напряжения трансформаторов. На рис.6 показана суть измерения.

читать далее...

согласование трансформаторовусловная схема замещенияНа рис.7 показана условная схема замещения в какой-либо момент измерения при правильном (рис.7а) и неправильном (рис.7б) включении вторичных обмоток наших трансформаторов - для лучшего понимания работы вольтметра.

Найдя правильный вариант включения вторичных обмоток, необходимо пометить найденные одноименные концы вторичных обмоток, а также пометить какие из концов первичных обмоток были соединены между собою в момент правильного измерения. Иначе, если вы ошибетесь в дальнейшем при подключении одного их трансформаторров, то и концы его вторичной обмотки придется развернуть местами. Параллельно работающих трансформаторов может быть и два и три. Только тогда придется проделывать такие измерения с каждым из них.
А теперь рассмотрим другие группы трансформаторов.
Существуют еще две группы трансформаторов, одна из которых называется трансформаторами напряжения, другая - транформаторы тока.
Трансформаторы напряжения и тока применяются для изоляции измерительных приборов и аппаратов автоматической защиты от цепи высокого напряжения, чем достигается безопасность измерения, а также для расширения пределов измерения измерительных приборов.
Трансформаторы напряжения применяются для включения вольтметров и и цепей напряжения измерительных приборов (ваттметров, фазометров) и реле. Трансформаторы тока - для включения амперметров и цепей тока измерительных приборов (электросчетчиков) и реле.

включение трансформатора напряжениявключение трансформатора токаНаглядную и принципиальную схемы включения трансформатора напряжения (обычно пишется сокращенно ТН) можно увидеть на рис.8. Такой трансформатор подобен силовому трансформатору небольшой мощности. Его первичная обмотка - обмотка ВН с большим числом витков w1, подключается к тому напряжению (на рис.8 это U1), которое надо измерить. Вторичная обмотка со значительно меньшим числом витков w2, т.е. обмотка НН, имеет на своем выходе некое напряжение U2. К ней и подключаются измерительные приборы. На рис.8а это вольтметр и частотомер. На рис.8б показана электрическая схема замещения с условным изображением трансформатора напряжения. Обычно обе обмотки трансформатора концентрические и обмотка ВН находится поверх НН. Но на нашем рисунке они для наглядности разделены. Это значения не имеет.
Один вывод вторичной обмотки и корпус трансформатора заземляются. Это делается на случай повреждения изоляции, а также для того, чтобы замкнуть на землю цепь тока, показанную штриховой линией, через условную емкость между первичной и вторичной катушками трансформатора. Наличие этого тока в цепи в случае отсутствия этого заземления снижало бы точность измерения
трансформатор тока ТТИ-А
Под пломбировочной крышкой виден номер и год выпуска. Это должно соответствовать данным в его паспорте.
паспорт на трансформатор ТТИ-А
Первая страница паспорта ТТИ-А.
Трансформатор тока - рис.9 (далее просто ТТ) предназначены для преобразования измеряемых переменных токов в относительно малые токи, не превышающие обычно 5А. ТТ своей первичной обмоткой включается как амперметр, т.е. в разрыв фазной рабочей жилы кабеля. Это можно еще раз посмотреть здесь. А в разделе "Электросчетчики" наглядно показано включение ТТ. Правда, ТТ актуальны, в основном, для 3-х фазных сетей. Вторичная обмотка его замыкается через цепи измерительных приборов. При отключении измерительных приборов вторичную обмотку ТТ необходимо замкнуть ключом К (рис.9б). Суммарное сопротивление включенного во вторичную обмотку ТТ амперметра (хотя его может и не быть, как на рис.9) и цепей тока измерительных приборов (например, электросчетчика) мало )обычно менее 2 Ом), поэтому ТТ работает в условиях, близких к режиму короткого замыкания. Напряжение вторичной обмотки ТТ зависит, в основном, от сопротивления цепей измерительных и соединительных проводов. Это порядка 1 - 12В. Для правильного подключения выводов ТТ к электросчетчику его входные и выходные выводы маркируются как Л1, Л2 и И1, И2 соответственно. Также и в паспорте на электросчетчик имеется схема для подключения ТТ, где указана нумерация выводов ТТ. Это необходимо, чтобы токи в первичной и вторичной обмотках совпали по фазе. Если имеющийся амперметр предназначен для работы с каким-то конкретным ТТ, то на шкале этого амперметра должны быть значения тока первичной обмотки. Вторичный номинальный ток у всех ТТ имеет одно и то же стандартное значение 5А. В специальных случаях - 1А. Внешний вид, мы для примера взяли трансформатор тока ТТИ-А (ТТИ - трансформатор тока измерительный, индекс А - это тип соединения - болтовое), можно увидеть на фото. К нему при покупке обязательно прилагается паспорт. Одна из его страниц видна на фото. В паспорте указан тип трансформатора, дата его поверки на заводе, условия эксплуатации и способ подключения.