Что такое трансформатор: устройство, принцип работы, схема и назначение

Различия в конструкции и принципе работы

В данном разделе мы рассмотрим ключевые отличия между инвертором и трансформатором, а также разберем их принцип работы.

1. Конструкция:

• Инвертор – это электронное устройство, которое преобразует постоянный ток в переменный. Оно состоит из полупроводниковых компонентов, таких как транзисторы и диоды, и имеет небольшие размеры. Кроме того, инвертор может включать в себя различные защитные функции, например, защиту от перегрузки или короткого замыкания.
• Трансформатор – это электромагнитное устройство, состоящее из двух или более обмоток, обычно изготовленных из меди, и ферромагнитного сердечника. Он используется для изменения входного напряжения, пропуская переменный ток через первичную обмотку и создавая электромагнитное влияние на вторичную обмотку.

Принцип работы:

• Инвертор преобразует постоянный ток в переменный с помощью электронных компонентов. Когда поступает переменный ток на вход, инвертор выполняет переключение транзисторов для создания переменного тока определенной формы и частоты.
• Трансформатор не изменяет форму и частоту тока, однако он изменяет уровень напряжения. При питании переменным током трансформатор создает электромагнитное поле, которое позволяет переносить энергию от первичной обмотки к вторичной обмотке с определенным коэффициентом трансформации.

Таким образом, инвертор и трансформатор имеют существенные различия в своей конструкции и принципе работы. Инвертор преобразует постоянный ток в переменный, используя электронные компоненты, в то время как трансформатор изменяет уровень напряжения, но не меняет форму и частоту тока.

Преобразование постоянного тока в переменный: идея работы инвертора

Инверторы широко применяются в различных областях, включая промышленность, энергетику и бытовую технику. Они позволяют нам использовать электрические приборы, работающие от переменного тока, даже там, где доступен только постоянный ток.

Принцип работы инвертора основан на использовании электронных компонентов для создания высокочастотного переменного тока из постоянного. Это достигается путем контроля открывания и закрывания полупроводниковых ключей в определенной последовательности, что приводит к переключению направления тока.

Изменение постоянного тока в переменный имеет множество практических применений. Например, при использовании солнечных панелей инверторы преобразуют постоянный ток, полученный от солнечной энергии, в переменный ток, который может быть использован в бытовых и коммерческих сетях.

Таким образом, инверторы играют важную роль в обеспечении гибкости и эффективности использования электричества, их применение охватывает множество сфер и способствует современному развитию энергетического сектора.

Трансформатор: передача электрической энергии через изменение напряжения

Электрическая энергия имеет свойство передаваться по проводам, но ее передача может потребовать изменения напряжения. Трансформаторы позволяют это сделать с помощью применения электромагнитной индукции.

Этот процесс начинается с того, что первичная обмотка трансформатора подключается к источнику высокого напряжения, а вторичная обмотка – к потребителю. Когда ток протекает через первичную обмотку, он создает магнитное поле, которое воздействует на вторичную обмотку. Это изменение магнитного поля приводит к индукции электрического тока во вторичной обмотке, что позволяет передать энергию на низком напряжении.

Трансформаторы могут иметь несколько обмоток на первичной и вторичной сторонах, что позволяет обеспечить различные уровни напряжения и эффективности передачи энергии.

• Преимущества использования трансформаторов:
  • Эффективность передачи энергии;
  • Возможность изменять напряжение;
  • Изоляция между источником и потребителем;
  • Долговечность и надежность.
• Применение трансформаторов:
  • Энергетические системы;
  • Электроника и электротехника;
  • Транспортные сети;
  • Промышленность и производство.

Таким образом, трансформаторы являются важным компонентом электрических систем, позволяющим эффективно передавать энергию через изменение напряжения, обеспечивая надежность и удобство использования в различных отраслях промышленности и быту.

Особенности монтажа согласующих трансформаторов:

Согласующие трансформаторы являются важной частью электрических систем и используются для оптимизации передачи энергии между различными устройствами. Они способны преобразовывать электрическое напряжение и ток в соответствии с требованиями системы

Правильный монтаж согласующего трансформатора является гарантией его надежной работы и эффективного функционирования.

Вот некоторые особенности монтажа согласующих трансформаторов, на которые следует обратить внимание:

Выбор подходящего места установки. Согласующие трансформаторы обычно устанавливаются на определенном расстоянии от источника питания и нагрузки. Необходимо выбрать место, где доступ к трансформатору будет обеспечен для регулярного обслуживания и технического обследования.
Правильная подготовка фундамента. Согласующие трансформаторы являются массивными устройствами и требуют устойчивого основания. Фундамент должен быть достаточно прочным и устойчивым, чтобы выдерживать вес трансформатора и предотвращать вибрацию.
Соответствие электрических параметров

При подключении согласующего трансформатора важно убедиться, что его электрические параметры соответствуют требованиям системы. Необходимо проверить совместимость напряжения, тока, частоты и других параметров, чтобы избежать возможных проблем.
Правильное подключение проводов

Провода, используемые для подключения согласующего трансформатора, должны быть правильно установлены и надежно зафиксированы. Физический контакт должен быть надежным и избегать возможности ослабления или разъединения под воздействием вибраций или других факторов.
Заземление и защита. Для обеспечения безопасности и защиты от перенапряжений необходимо правильно заземлить согласующий трансформатор и предусмотреть соответствующие средства защиты, такие как предохранители или автоматические выключатели.

Соблюдение этих основных принципов монтажа поможет обеспечить надежную и безопасную работу согласующего трансформатора. При возникновении сомнений или вопросов всегда рекомендуется обратиться к профессионалам или инженерам электроснабжения для более детальной консультации и рекомендаций.

Трансформаторы напряжения

Это, пожалуй, наиболее многочисленная разновидность семейства трансформаторов. В двух словах, их основная функция – сделать произведенную на электростанциях энергию доступной для потребления различными устройствами. Для этого существует система передачи электроэнергии, состоящая из повышающих и понижающих трансформаторных подстанций и линий электропередач.

Вначале электроэнергия, произведенная электростанцией, подается на повышающую трансформаторную подстанцию (к примеру, с 12 до 500 кВ). Это необходимо для того, чтобы компенсировать неизбежные потери электроэнергии при передаче на большие расстояния.

Следующий этап – понижающая подстанция, откуда электроэнергия уже по низковольтной линии подается на понижающий трансформатор и далее к потребителю в виде напряжения 220 в.

Но на этом работа трансформаторов не заканчивается. В большинстве окружающих нас бытовых электроприборов — в ПК, телевизорах, принтерах, стиральных машинах-автоматах, холодильниках, микроволновых печах, DVD и даже в энергосберегающих лампочках установлены понижающие трансформаторы. Пример индивидуального «карманного» трансформатора – зарядное устройство мобильного телефона (смартфона).

Гигантскому разнообразию современных электронных устройств и выполняемых ими функций соответствует множество различных типов трансформаторов. Это далеко не полный их список: силовые, импульсные, сварочные, разделительные, согласующие, вращающиеся, трехфазные, пик-трансформаторы, трансформаторы тока, тороидальные, стержневые и броневые.

Трансформаторы в системах связи

Трансформаторы широко используются в системах связи для передачи и преобразования сигналов.

Основными функциями трансформаторов в системах связи являются:

1. Преобразование напряжения и тока. В системах связи одна из главных задач трансформаторов — это преобразование напряжения и тока для обеспечения передачи сигналов на большие расстояния с минимальными потерями.
2. Изоляция. Трансформаторы также используются для обеспечения гальванической изоляции между различными устройствами и сетями связи. Это позволяет предотвратить возникновение помех и перекрестных наводок.
3. Усиление сигнала. В некоторых случаях трансформаторы используются для усиления сигнала в системах связи. Они могут увеличивать амплитуду сигнала или подавлять шумы и помехи.
4. Фильтрация. Трансформаторы также могут быть использованы для фильтрации сигналов и подавления нежелательных частотных компонентов.

В системах связи могут быть использованы различные типы трансформаторов, включая:

• Линейные трансформаторы, которые используются для преобразования и изоляции сигналов в системах передачи данных.
• Трансформаторы с обмоткой на сердечнике, которые используются для усиления сигналов и изменения их характеристик.
• Радиочастотные трансформаторы, которые используются для передачи и преобразования радиочастотных сигналов.

Виды специализированных трансформаторов

Это трансформаторные устройства, предназначенные для решения узконаправленных задач электросистемы.

• Автотрансформатор. Устройство, обмотки которого связаны между собой как по электрическому, так и по магнитному принципу. Единственная обмотка имеет несколько выводящих линий для получения токов с разными показателями напряжения. По сути это компактный трансформатор понижающего вида, который обладает меньшей стоимостью за счет экономии на обмотке. Агрегаты внедряют в устройства автоматического управления, в высоковольтные электросети, соединяя обмотки по схеме звезды или треугольника. Одна из разновидностей модели – лабораторный автотрансформатор, позволяющий плавно регулировать напряжение, поставляемое потребителю. Применяется в пусконаладочных системах для точной настройки электрооборудования.
• Сварочный. Предназначен для подключения к сварочным аппаратам и преобразования токов высокого напряжения в низкие. Такие трансформаторы востребованы в строительной промышленности для монтажа металлических конструкций – арматуры, труб, узлов. Первичная обмотка сварочного трансформатора принимает входящие токи, намагничивая магнитопровод, а вторичная обмотка индуцирует переменный ток до необходимых значений.
• Импульсный. Предназначен для трансформации тока и напряжения импульсных сигналов с минимальными искажениями показателей на выходе. Этот вид трансформаторов особенно востребован в радиоэлектронике, триодных генераторах, дифференцирующих модулях. В электросетях импульсные устройства играют роль защитных элементов при коротких замыканиях вследствие избыточного нагрева или чрезмерной нагрузки. По конструкции различают бронестержневые, броневые, тороидальные, стержневые импульсные трансформаторы.
• Разделительный. Состоит из двух обмоток одинаковой конструкции, не связанных между собой и создающих одинаковое напряжение на входе и на выходе. Используется в целях повышения надежности электросетей, обеспечения электрической безопасности и гальванической развязки электроцепи.
• Согласующий. Согласовывает показатели сопротивления токов в разных звеньях электросхем с минимальными изменениями первоначальных показателей. Трансформаторы такого типа применяются также для блокирования гальванического взаимодействия в разных участках электросистемы.
• Высокочастотный. Способен передавать высокоточные сигналы за счет особого материала обмотки – с использованием ферритов, модифицированного кремнием или никелем железа. Подобные сплавы обладают низкой диэлектрической проницаемостью, линейностью характеристик передачи электроэнергии и способностью к локализации возникающих помех. Высокочастотные трансформаторы входят в конструкции распределительных устройств, установок возобновляемой энергетики, промышленных приводов и пр.
• Пик-трансформатор. Преобразует энергетические потоки синусоидальной формы, подаваемые на первичную обмотку, в разнополярные импульсы заданной частоты на выходе вторичной обмотки. Кратковременные импульсы напряжения с пиками и спадами лежат в основе работы полупроводниковых и газоразрядных приборов.

Трансформаторы в медицине

В медицине трансформаторы широко используются в различных приборах и системах, которые необходимы для обеспечения правильного функционирования медицинского оборудования и проведения медицинских процедур.

Одним из основных применений трансформаторов в медицине является обеспечение безопасного и эффективного питания медицинских устройств. Трансформаторы используются для преобразования напряжения, подаваемого на медицинское оборудование, чтобы удовлетворить его требования к питанию. Благодаря использованию трансформаторов, медицинское оборудование может работать с нужным напряжением, что позволяет значительно снизить риск повреждения оборудования или нанесения вреда пациенту.

Трансформаторы также используются в медицинских приборах, например в зарядных устройствах для портативных медицинских устройств, таких как электростимуляторы сердца или переносные электрокардиографы

Такие трансформаторы позволяют быстро и надежно заряжать эти устройства, что важно для сохранения их работоспособности во время медицинских процедур или в случае срочной необходимости

Кроме того, трансформаторы используются в медицинской технике для создания различных систем преобразования сигналов. Например, измерительные приборы, используемые для измерения параметров пациента (таких как давление, температура, пульс и т.д.), могут содержать трансформаторы для преобразования физических величин в электрические сигналы, которые затем анализируются и отображаются на экране монитора.

Использование трансформаторов в медицине важно для обеспечения безопасности и надежности работы медицинского оборудования, а также для обеспечения качественной диагностики и лечения пациентов. Благодаря использованию трансформаторов, медицинское оборудование может функционировать в соответствии с международными стандартами безопасности и эффективности, что является основным требованием в медицинской сфере

Принцип работы трансформатора

По мере открытия и использования электричества в промышленных целях возникла необходимость в системах преобразования и доставки электроэнергии потребителю. Так появились трансформаторы, основной принцип работы которых мы сейчас обсудим.

Их появлению в мире предшествовало открытие явления электромагнитной индукции великим английским физиком Майклом Фарадеем почти 200 лет назад. Позже, вместе со своим американским коллегой Д. Генри нарисовал схему будущего трансформатора.

Трансформатор Фарадея

Первая индукционная катушка была разработана в 1848 году французским механиком Г. Румкорфом. Свою лепту внесли и российские ученые. В 1872 году профессор А.Г. Столетов из Московского университета открыл петлю гистерезиса и описал структуру ферромагнетика, а четыре года спустя выдающийся русский изобретатель П.Н. Яблочков получил патент на изобретение первого трансформатора переменного тока.

Конструкция трансформатора

Роль трансформаторов в современном мире

Номинальный ток первичной и вторичной цепи. Вторичная нагрузка, которая является полным сопротивлением внешней вторичной цепи. Коэффициент трансформации, а именно отношение значений первичного тока и вторичного. Электродинамическая стойкость, способность устройства к устойчивости при воздействии тока короткого замыкания. К разновидностям потерь относится: электрические — возникающие в обмотках при нагревании из-за протекания электрического тока; магнитные — определяются переменным магнитным полем.

С помощью катушки он получил колебания тока высокого напряжения. Для превращения постоянного тока, не поддающегося трансформации, в переменный, изобретатель включил прерыватель последовательно с первичной катушкой. При замыкании во вторичной обмотке напряжение выше первичного в таком соотношении, в каком было количество витков во вторичной обмотке по отношению к первичной. При размыкании тока первичной обмотки возникало еще большее напряжение во вторичной. Чем быстрее размыкание, тем больше его величина.

В роли прерывателя была пружинная пластинка. Она размыкала цепь, притянутая сердечником катушки. На частоту прерываний влияла масса и упругость пружины, напряжение батареи. Практическое применение индукционные катушки получили лишь в 70-х годах. Трансформатор Яблочкова Датой рождения трансформатора принято считать 30 ноября 1876 года. В этот день русскому ученому П. Яблочкову вручили патент на трансформатор с разомкнутым сердечником катушки.

Для реализации необходимых входных и выходных показателей используют их зависимость от количества витков, соотношения между ними прямо пропорционально. Основные параметры Действующая величина напряжение трансформатора тока, при которой он может работать. Номинальный ток первичной и вторичной цепи. Вторичная нагрузка, которая является полным сопротивлением внешней вторичной цепи. Коэффициент трансформации, а именно отношение значений первичного тока и вторичного.

Яблочковым и усовершенствован в 1882 году другим русским ученым И. Слайд 4 Описание слайда: Яблочков Павел Николаевич Российский электротехник, изобретатель и предприниматель. Изобрел патент 1876 дуговую лампу без регулятора -электрическую свечу «свеча Яблочкова» , чем положил начало первой практически применимой системе электрического освещения. Работал над созданием электрических машин и химических источников тока.

ПО КАКИМ КРИТЕРИЯМ ВЫБИРАЮТ ОБОРУДОВАНИЕ?

КЛАСС ТОЧНОСТИ

В зависимости от номинальной нагрузки трансформаторы тока условно можно разделить на 2 группы:

до 1000 В	свыше 1000 В
обычно такие трансформаторы имеют класс напряжения 0,66	класс напряжения 6÷35

Один из важнейших параметров прибора — коэффициент трансформации . Это 2 цифры, которые при маркировке записываются в числителе дроби и показывают номинальный ток первичной обмотки. В знаменателе указывается нормируемый ток вторичной обмотки. Обычно он составляет 5 А, реже бывает 1 А. Данный коэффициент делает трансформатор универсальным, поскольку измерительные приборы имеют шкалу с шагом 5 А.

Назначение конкретного устройства определяется классом его точности.  

• 10 Р (самый низкий) — используется для релейной защиты;

• 5 Р — используется для релейной защиты;

• 1 Р — используется для релейной защиты либо технического учета электроэнергии;

• 0,5 — применяется для подключения измерительных приборов, технического учета электроэнергии (редко коммерческого) и средств телеизмерения (телемеханики);

• 0,5S — класс точности, стандартно используемый для систем АСКУЭ (коммерческий учет электроэнергии);

• 0,2 — используется для систем коммерческого учёта электроэнергии;

• 0,2S — используется для систем коммерческого учёта электроэнергии;

• 0,1 — класс точности лабораторных (поверочных) трансформаторов.

Кроме того, важно учитывать, что вторичных обмоток трансформаторов тока может быть несколько (1÷5) и у каждой из них свой класс точности. Модели до 1000 В не являются многообмоточными, поэтому при их использовании выгоднее поставить 2 последовательных трансформатора, чем одно устройство с 2 обмотками

Неопытные электрики, видя по 2 винта на каждой клемме, иногда решают что в приборе 2 обмотки и не замечают что эта единая клемма, соединенная пластмассовой перемычкой.

Последовательно соединять трансформаторы на 1000 В и выше нецелесообразно из-за больших размеров ячеек.  Чаще всего устанавливают приборы с 2-3 обмотками различных классов точности. Одна из них используется в качестве релейной защиты (10 Р), другие — для измерений или учета (0,5, 0,5S), поскольку объединять эти цепи не принято.

В показаниях трансформатора тока допускается небольшая погрешность

Важно следить, чтобы вторичная нагрузка не превышала номинального значения, указанного в паспорте устройства

У трансформаторов напряжения основные классы точности:

• 0,2;

• 0,5 ;

• 1,0;

• 3,0

Реже встречаются прецизионные 0,02 и 0,05. Класс 10 Р, характерный только для релейной защиты, отсутствует. В трансформаторах для коммерческого учета достаточно точности не выше 0,5. Для подключения счетчиков класса 2 и 0 можно использовать приборы точностью 1,0.

Требования к устройствам для технического учета значительно ниже. У трансформаторов напряжения, как и у измерительных, есть предельная нагрузка. Если она превышает определенные значения, класс точности устройства снижается. На шильдике прибора указано, каким значениям соответствуют различные классы. Если точность не слишком важна, трансформатор можно нагружать до максимальной мощности.

На класс точности влияет также длина контрольных кабелей. Чем она больше ,тем меньше напряжение, выдаваемое потребителю. Соответственно, счетчик не учитывает какую-то часть электроэнергии . Поэтому существуют нормы на допустимое падение напряжения в цепях . Они варьируются в зависимости от назначения системы учета электроэнергии и класса точности прибора. Если же к мощному трансформатору подключен только 1 счетчик с малой нагрузкой, то показатели тоже будут неверными. Чтобы избежать этого, устройство дополнительно нагружают с помощью догрузочных резисторов.

НОМИНАЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ НАГРУЗКИ

Класс точности — важный, но недостаточный параметр. При выборе трансформатора тока необходимо также ориентироваться на номинальную мощность нагрузки, которая может быть подключена к обмотке. Если эту величину превысить, трансформатор тока выйдет за пределы своего класса точности и начинает давать неверные показатели. Мощность устройства складывается из мощностей полезной нагрузки всех подключенных приборов и мощности потерь в меди и стали (Р1= Р2+Р пот.). Без этого ни один трансформатор не может работать. В свою очередь, мощность рассчитывается путем умножения показателей силы тока и напряжения.

Выводы

Преобразователи и накопители электрической энергии играют важную роль в современных энергетических системах, позволяя использовать электрическую энергию с максимальной эффективностью. Их применение охватывает широкий спектр областей, от энергетики до промышленности и транспорта.

С развитием технологий можно ожидать улучшения и расширения возможностей этих устройств, что позволит использовать электрическую энергию ещё более эффективно и экономично.

Преобразователи электрической энергии используются не только для преобразования энергии из одной формы в другую, но также и для управления и контроля электропотенциала. Их применение позволяет осуществлять эффективное использование возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая энергия.

Накопители электрической энергии играют ключевую роль в сохранении энергии, полученной из различных источников, для последующего использования в моменты наибольшей потребности. Развитие технологий на этом направлении позволит увеличить эффективность и долговечность накопителей, что приведет к уменьшению затрат на энергию и снижению негативного воздействия на окружающую среду.

В целом, преобразователи и накопители электрической энергии имеют большой потенциал для улучшения эффективности использования энергии и расширения возможностей в области энергетики, промышленности и транспорта. Развитие этой области технологий является важным шагом к устойчивому развитию и охране окружающей среды.

Больше о преобразователях и накопителях электрической энергии: технологиях, тенденциях, оборудование; можно узнать на ежегодной выставке RENWEX, проходящей в ЦВК «Экспоцентр».