Трансформатор напруги: пристрій і принцип роботи

Трансформатори відіграють значну роль в електротехніці, виконуючи функції перетворення, ізоляції, вимірювання та захисту. Одним з найпоширеніших завдань пристроїв цього типу є регуляція окремих параметрів струму. Зокрема, трансформатори напруги (ТН) перетворять показники первинної електромережі до оптимальних значень, з точки зору споживачів.

• Загальна конструкція обладнання
• Сердечники трансформатора
• Обмотки трансформаторів напруги
• Монтажна арматура і засоби заземлення
• Принцип дії ТН
• Різновиди трансформаторів
• Особливості електронних ТН
• Характеристики трансформаторів
• Ферорезонансний ефект
• Застосування обладнання
• Ув ‘язнення

Загальна конструкція обладнання

Технічну основу трансформатора утворює електромагнітна начинка, що забезпечує функціональні процеси пристрою. За розмірами обладнання може відрізнятися залежно від вимог до силового навантаження в ланцюгу. У типовому виконанні трансформатор має пристрої вводу та виводу струму, а основні робочі елементи виконують завдання перетворення напруги. За забезпечення надійності та безпеки технологічних процесів відповідає набір ізоляторів, запобіжників та пристрій релейного захисту. У конструкції сучасного трансформатора зниженої напруги передбачаються і датчики реєстрації окремих робочих параметрів, показники яких спрямовуються на пульт управління і стають основою для команд регулюючим органам. Функціонування електротехнічних компонентів саме по собі вимагає енергопостачання, тому в деяких модифікаціях перетворювачі доповнюються автономними джерелами живлення – генераторами, акумуляторами або батареями.

Сердечники трансформатора

Ключові робочі елементи ТН – це так звані серцевики (магнітопроводи) і обмотки. Перші бувають двох видів – стрижневі і броньові. Для більшості низькочастотних трансформаторів до 50 Гц застосовуються стрижневі сердечники. У виготовленні магнітопроводу використовують спеціальні метали, від характеристик яких залежать робочі властивості конструкції, наприклад, продуктивність і величина струму холостого ходу. Сердечник трансформатора напруги утворюється тонкими листами сплаву, ізольованими між собою шарами лаку та окису. Від якості даної ізоляції залежатиме ступінь впливу вихорих струмів магнітопроводу. Існує й особливий різновид набірних сердечників, які формують конструкції довільного перерізу, але близького до квадратної форми. Така конфігурація дозволяє створювати універсальні магнітопроводи, але у них є і слабкі місця. Так, виникає потреба в щільному стягуванні металевих пластик, оскільки найдрібніші зазори знижують коефіцієнт наповнюваності робочої площі котушки.

Обмотки трансформаторів напруги

Зазвичай використовують дві обмотки – первинну і вторинну. Вони ізолюються і один від одного, і від сердечника. Перший рівень обмотки відрізняється великою кількістю витків, виконаних тонким проводом. Це дозволяє їй обслуговувати мережі високої напруги (до 6000-10 000 В), необхідної для основних потреб перетворення. Вторинна обмотка призначена для паралельного постачання вимірювальних приладів, релейних пристроїв та іншої допоміжної електротехніки. При підключенні обмотки трансформаторів напруги важливо враховувати маркування на вихідних затисканнях. Наприклад, реле напрямку потужності, мультиметри, амперметри, ваттметри і різні лічильники з ‘єднуються з котушками за допомогою початку первинної обмотки (позначення А), кінцевої лінії (Х), початку вторинної обмотки (а) і її кінця (х). Також може використовуватися додаткова обмотка зі спеціальними приставками в позначенні.

Монтажна арматура і засоби заземлення

Перелік доборих елементів та функціональних пристроїв може бути різним залежно від типу та характеристик трансформатора. Наприклад, масляні конструкції з показником первинної напруги до 10 кВ і більше забезпечуються арматурою для заливки, слива і відбору проб технічної мастила. Для масла також передбачається бак з форсунками і регуляторами, які керують плавною подачею рідини в цільові зони. Типові набори арматури найчастіше включають кронштейни з болтами, патрубки, релейні компоненти, прокладки з електрокартону, фланцеві елементи тощо. Що стосується заземлення, то трансформатори з напругою на первинній обмотці до 660 В забезпечуються затисками з різьбовим кріпленням болтів, шпилок і гвинтів типорозміром М6. Якщо показник напруги вище 660 В, то заземляюча арматура повинна буде мати з ‘єднання метизів формату не менше М8.

Принцип дії ТН

Основні функції і процеси електромагнітної індукції виконує комплекс, що включає металевий серцевик з набором трансформаторних пластин, первинну і вторинну обмотки. Якість роботи пристрою буде залежати від точності базового розрахунку амплітуди і кута проходження струму. За перетворення в електромагнітному полі відповідає взаємна індукція між кількома обмотками. Змінний струм у трансформаторі напруги на 220 В постійно змінюється, проходячи по одиночній обмотці. Відповідно до закону Фарадея, електродвижущая сила індукується раз на секунду. У системі із закритою обмоткою по ланцюгу буде проходити струм за замовчуванням і замикатися на металевому сердечнику. Чим менше навантаження на вторинну обмотку трансформатора, тим ближче фактичний коефіцієнт перетворення до номінальної величини. Робота з підключенням вторинної обмотки до вимірювальних пристроїв особливо залежатиме від ступеня перетворення, оскільки найдрібніші коливання навантаження впливатимуть на точність замірів, введених у ланцюг приладів.

Різновиди трансформаторів

На сьогоднішній день найбільш поширені такі різновиди ТН:

• Каскадний трансформатор – пристрій, в якому первинна обмотка поділяється на кілька послідовних секцій, а за передачу потужності між ними відповідають вирівнюючі і зв ‘язуючі обмотки.
• Заземлюваний ТН – однофазні конструкції, у яких один кінець первинної обмотки наглухо заземляється. Також це можуть бути трифазні трансформатори напруги із заземленою нейтралью від первинної обмотки.
• Незаземний ТН – пристрій з повною ізоляцією обмоток з примикаючою арматурою.
• Двобмоточні ТН – трансформатори з наявністю однієї вторинної обмотки.
• Триобмоточні ТН – трансформатори, у яких крім первинної обмотки також присутні основна і додаткова вторинні обмотки.
• Ємнісний ТН – конструкції, що відрізняються наявністю ємнісних роздільників.

Особливості електронних ТН

За основними метрологічними показниками даний вид трансформаторів трохи відрізняється від електротехнічних пристроїв. Обумовлено це тим, що в обох випадках застосовується традиційний канал перетворення. Головні ж особливості електронних трансформаторів полягають у відсутності високовольтної ізоляції, що в підсумку і сприяє отриманню більш високого техніко-економічного ефекту від експлуатації обладнання. У високовольтних мережах з первинною напругою трансформатора напруги до 660 У перетворювач зв ‘язується з центральною мережею гальванічним способом. Відомості про вимірюваний струм передаються під високим потенціалом, як це відбувається і в аналогово-цифровому перетворювачі з оптичним виходом. Однак розміри і маса електронних моделей настільки малі, що дають можливість встановлювати трансформаторні блоки в інфраструктурі високовольтних дротових шин навіть без підключення додаткових ізоляторів і кріпильної арматури.

Характеристики трансформаторів

Основною техніко-експлуатаційною величиною є потенціал напруги. На первинній обмотці він може досягати і 100 кВ, але це здебільшого стосується великогабаритних промислових станцій, що містять кілька перетворюючих модулів. Як правило, на первинній обмотці підтримується не більше 10 кВ. Трансформатор напруги для однофазних мереж із заземленою нейтралью і зовсім працює при 100 В. Що стосується вторинної обмотки, то її номінальні показники напруги становлять 24-45 В в середньому. Знову ж таки, на цих контурах обслуговуються енергетично маломісткі прилади обліку, для яких не потрібно високого навантаження харчування. Втім, і вторинні обмотки іноді мають високі потенціали понад 100 В в трифазних мережах. Також в оцінці характеристик трансформатора важливо враховувати клас точності – це величини від 0,1 до 3, які визначають ступінь відхилень у перетворенні цільових електротехнічних показників.

Ферорезонансний ефект

Електромагнітні пристрої нерідко зазнають різного роду негативних впливів і пошкоджень, пов ‘язаних з порушеннями в ізоляції. Одним з найпоширеніших процесів руйнування обмотки є ферорезонансне обурення. Воно призводить до механічного пошкодження і перегріву обмоток. Основною причиною цього явища називають нелінійність індуктивності, яка виникає в ситуаціях нестабільної реакції магнітопроводу на навколишнє магнітне поле. Захистити трансформатор напруги від ферорезонансних ефектів дозволяють зовнішні заходи, серед яких включення додаткових ємностей і резисторів до комутованого пристрою. В електронних системах мінімізувати ймовірність індукційної нелінійності дозволяє і програмування послідовностей відключення апаратури.

Застосування обладнання

Експлуатація трансформаторних пристроїв, що перетворюють напругу, регулюється правилами використання електротехніки. Враховуючи оптимальні робочі величини, фахівці вводять підстанції в забезпечуючу інфраструктуру цільового об ‘єкта. Основні функції систем дозволяють обслуговувати будівлі і підприємства з потужними енергетичними установками, а вторинне напруження трансформатора до 100 В контролює навантаження для менш вимогливих споживачів на зразок лічильників і метрологічних пристроїв. Залежно від техніко-конструкційних параметрів, ТН можуть використовуватися в промисловості, в будівельній сфері та в побутовому господарстві. У кожному випадку трансформатори забезпечують контроль електротехнічного харчування, регулюючи вхідні показники потужності відповідно до номінальних запитів конкретного об ‘єкта.

Ув ‘язнення

Електромагнітні трансформатори забезпечують досить старий, але затребуваний донині принцип регуляції потужності в електроцепях. Застарівання даного обладнання пов ‘язане і з конструкційним виконанням обладнання, і з функціональністю. Проте це не заважає використовувати трансформатори струму і напруги для відповідальних завдань управління електропостачанням на великих підприємствах. До того ж не можна сказати, що перетворювачі цього типу зовсім не піддаються поліпшенням. Хоча основні принципи роботи і навіть технічна реалізація в цілому залишаються колишніми, інженери останнім часом активно працюють над системами захисту та управління. У підсумку це позначається на підвищенні безпеки, надійності і точності роботи трансформаторів.

Трансформатори: різновиди, схеми обмотки

В 1831 англійський фізик Майкл Фарадей виявив подію електромагнітної індукції. Воно лягло в основу роботи електричного перетворювача. При виконанні досліджень у сфері електрики Фарадей виклав у своїх записах досвід, у якому він накрутив на залізне кільце колом п’ятнадцять сантиметрів і завтовшки два сантиметри два мідні дроти завдовжки п’ятнадцять і вісімнадцять сантиметрів.

Історія появи трансформатора

Зображення майбутнього трансформатора на схемі вперше виявили 1831 в роботах М. Фарадея і Д. Генрі. Пізніше Г. Румкорф вигадав індукційну котушку особливої ​​конструкції, яка була, по суті, першим трансформатором.

Брати Гопкінсон створили теорію електромагнітних кіл. Вони першими навчилися розраховувати магнітоланцюги. Але вони не розуміли одного: цей прилад має властивість зміни напруги та струму, а саме зміни змінного струму в постійний, що робить трансформатор. Ептон, помічник Едісона, порекомендував робити сердечники набірними, з окремих листів металу, щоб вихрові струми були локалізовані.

Охолодження за допомогою олії вплинуло на надійну роботу перетворювача на краще. Свінберн опускав трансформатор у керамічний посуд, наповнений олією, що в рази підвищувало надійність ізоляційної обмотки.

У 1928 року розпочато виробництво силових трансформаторів у СРСР, на Московському трансформаторному заводі. На початку 1900-х вчений-металург Р. Хедфілд на основі своїх дослідів з’ясував, що різноманітні добавки впливають на властивості заліза. У ході подальших експериментів він розробив перший пробник сталі, до складу якої входив кремній. Наступним кроком у процесі виробництва сердечників було встановлення того факту, що при змішаному впливі прокатки та нагрівання у сталі, що містить кремній, з’являються елементарні нові магнітні властивості: магнітне збагачення зросло на 50%, витрати на гістерезис зменшилися в 4 рази, а магнітне проникнення збільшилося в 5 разів.

Призначення та застосування

Трансформатор – це статичний електромагнітний перетворювач із двома або більше нерухомими обмотками, який призначений для перетворення за допомогою електромагнітної індукції параметрів електричних величин. Трансформатори застосовуються в енергетичних системах при передачі електроенергії від електричної станції до споживача та різноманітних електроустановках для отримання напруг потрібної величини.

У цій статті наведено приклад простого трансформатора невеликої потужності, який часто застосовується в пристроях автоматики, вимірювально-обчислювальної техніки, різних приладів.

Встановити трансформатор

Мал. 1 Електромагнітна схема однофазного трансформатора в режимі роботи .

Первинна та вторинна обмотка

Трансформатор має дві обмотки:

• первинну (I) – до якої ми підбиваємо електричну енергію;
• вторинну (II) – до якої ми прикріплюємо електроприймач.

Може бути високої (в.н.) та низької (н.н.) напруги

У разі коли вторинна напруга менш первинного, трансформатор знижуючий перетворює електроенергію з 380 до 220 В, якщо відбувається навпаки, тоді трансформатор підвищує.

Давайте докладніше розберемо, що робить і як влаштований трансформатор, зображений малюнку 1.

Принцип роботи

На обмотку збудження подаємо змінну напругу U1 , так як обмотка збудження має опір, створюється електричний струм. Струм, проходячи по витках, наводить магніторушійну силу, а магніторушійна сила наводить магнітний потік. Магнітний потік йде по сердечнику, проходячи всі витки первинної та вторинної обмоток. І тут магнітний потік (Фт) є основним, т. е. робочим. Друга (менша) частина потоку замикається за допомогою повітря, проходячи через витки первинної обмотки, і є потоком розсіювання Фs1.

Якщо вторинний ланцюг (живиться від вторинної (II) обмотки) розімкнутий, то, природно, струм відсутній, немає можливості утворення магнітного поля. Але ми замкнули (II) ланцюг, нею пішов струм. Отже, утворюється магнітне поле, яке, своєю чергою, створює два магнітних потоку:

Це означає , що навколо (II) обмотки також наводиться потік розсіювання. Потоки розсіювання подібні до магнітного потоку самоіндукції, що створює струм у тій чи іншій котушці індуктивності та різному дроті. Потоки є шкідливими. У застосуванні правила електромагнітної індукції при зміні головного магнітного потоку наводиться ЕРСВ (I) Е1 і (II) Е2 обмотках.

Так як по (I) спіралі з числом витків w1 і (II) спіралі з числом витків w2 проходить один і той же основний потік, то, отже, у кожному витку обох спіралей наводиться рівна за значенням ЕРС. Таким чином, Es1 = ew1 та Еs2 = ew2, з цього випливає, що К – коефіцієнт зміни трансформатора.

Потік розсіювання наводить електрорушійна сила розсіювання в первинній обмотці Es 1. Значить, напруга, підведена до (I) обмотці трансформатора U1, повинна відповідати падінню напруги в діючому опорі I1 r1 (I) обмотки, електрорушійна сила Esl розсіювання і ЕД.

При роз’єднаному (II) ланцюгу , Es 1 і I1 r1 мізерно малі, отже, електрорушійна сила Е1, наведена в (I) обмотці, у повному обсязі виправдовує прикладену напругу U1. При розмиканні (II) ланцюга ЕРС Е2 електричний струм перестає надходити, але якщо замкнути (II) обмотку, підключивши електроприймачі, то під впливом (II) ЕРС по (II) ланцюга піде струм, відповідна трансформатору (I) потужність змінюється в (II ) і застосовується для приймачів електроенергії.

Якщо не брати до уваги втрати, можна прийняти, що відповідна потужність E1 I1 майже дорівнює (II) потужності Е2 I2 (I1 і I2 – (I) та (II) струми трансформатора). Тобто при зміні (I) і (II) струми приблизно обернено пропорційні числам відповідних обмоток. (II) струм I2, протікаючи по спіралі, створює ампер-спіраль I2 w2, що проходять в тому ж ланцюзі трансформатора, що й ампер-витки (I) спіралі. Значить, при навантаженні головний електромагнітний потік орієнтуватиметься на спільну дію ампер-витків l1 w1 (I) і ампер-витків I2 w2 (II) обмоток.

За законом Джоуля-Ленца електроіндукційний у другорядній обмотці струм зосереджений так, що гальмує зміну електромагнітного потокозчеплення. Зміна електромагнітного потоку провокується первинними ампер-витками l1 w1. Необхідно протікання II струму в такому напрямку, щоб ампер – спіралі, що утворилися, працювали в протилежний бік від I обмотки. Падіння головного магнітного потоку через втрату магнітної дії II ампер – спіралей спровокує занепад індукційної та електрорушійної сили в І обмотці.

Якщо напруга, що надходить до клем I обмотки, постійна, при падінні вона не вирівнює напругу, через це струм зростає до параметрів, при яких відновлюється рівність напруг. У цьому головний магнітний потік повинен зберігати параметри, рівні величині головного потоку за вільного ході. При будь-яких навантаженнях перетворювача напруга U1 повинна відповідати електрорушійній силі Е1 (зниження напруги в обмотці I ігноруємо).

Необхідно, щоб головний електромагнітний потік Фт залишався постійним при різному навантаженні трансформатора. Струм I1 (I) обмотці повинен компенсувати вплив ампер-витків, що виникають при струмі I2 (II) обмотці. Напруга на клемах (I) обмотки завжди менша за ЕРС Е2 внаслідок зменшення напруги в активній та реактивній протидіях вторинної обмотки.

Класифікація та різновиди

Трансформатори бувають із вмістом олії і без олії – сухі. У приладах, що містять масло, робоча частина (обмотка і магнітна система) знаходиться в баку, наповненому трансформаторною рідиною. Робоча частина сухих трансформаторів остигає за допомогою навколишнього повітря. Масштаб потужностей енергосилових масляних – від 10 кВА до 630 тисяч кВА, сухих – від одиниць до 1600 кВА.

Силові однофазні трансформатори потужністю 4 кВА і менше та трифазні – 5 кВА і менше мають відношення до пристроїв малої потужності. Вони часто використовуються у трансформаційній, домашній техніці, радіоелектронній апаратурі.

Маркування масляних пристроїв

• ТМ – масляний, трифазний;
• Про – має одну фазу;
• Н – є можливість управління напругою під час роботи;
• Р – наявність роздільної обмотки;
• Д – охолодження з видуванням за допомогою олії (обдув теплообмінників трансформатора вентиляторами);
• Ц – охолодження масла, що обертається, за допомогою його виведення з бака і охолодження повітрям або водою.

Далі пишуть цифри, які позначають потужність та першу напругу.

Допустимо: ТМ – 1000/10 – трансформатор, що працює на олії, потужністю (P) 1 тис. кВА, 10 кВ. Сухі трансформатори позначаються:

• ТСЗ – трансформатор має три фази, сухий, захищений. Вони випускаються у масштабі потужностей від 10 до 1600 кВА;
• ВН (висока напруга) – 380, 500, 660, 10 тис. В;
• ПН (низького напруження) – 230 і 400 В.

Прилади невеликої потужності надходять у продаж, маючи велику кількість серій, типів та розмірів. З силовими дуже часто додаються трансформатори, що вимірюють струм та напругу. За допомогою трансформаторів струму можна забезпечити безпечну роботу ланцюгів релейного захисту та визначити будь-який об’єм струму спеціальними приладами. Їх паспортний вторинний струм 1 та 5 А.

Первинний струм – в діапазоні від 5 до 24000 А при напруженій роботі цієї мережі від 0,4 до 24 кВ. Трансформатори, що працюють на струм та напругу, виробляються серійно 35, 110, 220, 330, 500, 750 кВ.

Основні позначення:

• Т – трансформатор тока;
• П – проходить;
• Л – цілісна ізоляція з урахуванням смол;
• М – мало займає місце;
• О – односпіраль;
• Н – навісний;
• Ш – із застосуванням шини;
• У – потужний;
• К – вбудований у комплексні трансформаторні станції.

ТН застосовуються у ланцюгах непостійного струму напругою від 0,4 до 1150 кВ для живлення визначальних приладів та ланцюгів релейного захисту. ТН до 35 кВ застосовуються інклюзивно в мережах із захищеною нейтраллю. Клас надійності 0,5; 1 і 3 відповідає найбільшій похибки у % вимірюваної паспортної напруги 0,5%; 1%; 3%.

ТН діляться на сухі та масляні . Позначення ТН:

• Н – трансформатор напруги;
• О – однофазний;
• С – сухого виконання;
• М – масляним охолодженням;
• З – заземлення виведенням первинної обмотки;
• К – компенсацією кутової похибки трансформатора;
• Л – виконання з литою ізоляцією;
• Е – для встановлення на екскаваторах.

Трансформатори типу НОС, НОЛ, ЗНОЛ – сухі, НОМ, НОМЕ, НТМК, НТМІ, ЗНОМ – масляні природним охолодженням.

§ 21. Передача та використання енергії змінного струму. Трансформатор

Однією з основних переваг електричної енергії є те, що її можна передавати на великі відстані, наприклад, за допомогою проводів. Але під час передавання енергії неминучі її втрати, зокрема на нагрівання. Згідно із законом Джоуля — Ленца кількість теплоти, що виділяється в провідниках, дорівнює: Q = I 2 Rt. Отже, зменшити втрати енергії на нагрівання можна: 1) зменшивши опір проводів; 2) зменшивши силу струму. Розглянемо, як ці можливості реалізують на практиці.

Трансформаторна підстанція

1. Чому напругу необхідно змінювати

Збільшення площі поперечного перерізу призводить до значного збільшення маси проводів, додаткових витрат матеріалу на виготовлення проводів, опор ліній електропередачі тощо. Можна зменшити питомий опір, замінивши сталевий провід алюмінієвим, що й роблять у разі передавання електроенергії на великі відстані. Але це не розв’язує проблеми повністю: по-перше, порівняно зі сталлю алюміній досить дорого коштує; по-друге, передавання значної потужності (Р = UI) за відносно невеликої напруги потребує досить великої сили струму, тому навіть за невеликого опору втрати енергії чималі.

Якщо ту саму потужність передавати за великої напруги (відповідно за малої сили струму), то втрати енергії значно зменшуються. Наприклад, збільшення напруги в 10 разів приведе до зменшення в 10 разів і сили струму, отже, кількість теплоти, що виділиться в проводах під час передавання, зменшиться в 100 разів. Саме тому перед тим, як передати енергію на великі відстані, потрібно підвищити напругу. І навпаки: після того як енергія дійшла до споживача, напругу потрібно знизити. Така зміна напруги здійснюється за допомогою трансформаторів.

2. Як побудований трансформатор і яким є принцип його дії

Трансформатор (від латин. transformo — перетворюю) — електромагнітний пристрій, що перетворює змінний струм однієї напруги на змінний струм іншої напруги за незмінної частоти.

Найпростіший трансформатор складається із замкненого осердя (магнітопроводу) і двох обмоток (рис. 21.1). Осердя виготовлено з тонких пластин трансформаторної сталі, обмотки — з ізольованого мідного дроту. До однієї з обмоток, яка називається первинною і має N₁ витків дроту, подається напруга від джерела змінного струму. До другої обмотки — вторинної, яка має N₂ витків дроту, — підключають споживачів електричної енергії.

Рис. 21.1. Будова (а) та електрична схема (б) найпростішого (однофазного) трансформатора: 1 — первинна обмотка; 2 — осердя; 3 — вторинна обмотка

Дія трансформатора ґрунтується на явищі електромагнітної індукції. Якщо первинну обмотку трансформатора підключено до джерела змінного струму, то струм, який іде в її витках, утворює в замкненому осерді змінний магнітний потік Ф. Пронизуючи витки первинної та вторинної обмоток, змінний магнітний потік створює ЕРС самоіндукції е₁ в первинній обмотці та ЕРС індукції е₂ у вторинній обмотці.

Згідно із законом електромагнітної індукції ЕРС індукції е, індукована в кожному витку первинної та вторинної обмоток трансформатора, дорівнює:

Таким чином, відношення діючих значень ЕРС, індукованих у первинній. і вторинній обмотках трансформатора, дорівнює відношенню кількості витків в обмотках:

Величину k називають коефіцієнтом трансформації.

Трансформатор називають знижувальним, якщо коефіцієнт трансформації більший за одиницю (k > 1). У знижувальних трансформаторах вторинна обмотка містить менше витків дроту, ніж первинна.

Трансформатор називають підвищувальним, якщо коефіцієнт трансформації менший за одиницю (k < 1). У підвищувальних трансформаторах вторинна обмотка містить більше витків дроту, ніж первинна.

3. Холостий хід роботи трансформатора

Розглянемо, як працює трансформатор, вторинну обмотку якого розімкнено, тобто трансформатор не навантажений (рис. 21.2). Роботу ненавантаженого трансформатора називають холостим ходом.

Рис. 21.2. Холостий хід роботи трансформатора: а — схема установки; б — електрична схема

Первинна обмотка трансформатора підключена до джерела змінного струму, напруга на виході якого u₁. Під час проходження струму в обмотці виникає ЕРС самоіндукції e₁. Падіння напруги на первинній обмотці дорівнює: і₁r₁ = u₁ + е₁, де r₁ — опір обмотки, який будемо вважати нехтовно малим. Отже, в будь-який момент часу u₁ ≈ -е₁, тому для діючих значень напруги та ЕРС маємо рівність: U₁ ≈ E₁.

У вторинній обмотці струм не йде (вона розімкнена), тому напруга на кінцях вторинної обмотки за модулем дорівнює ЕРС індукції (u₂ + е₂ = 0, u₂ = -е₂, відповідно U₂ = E₂).

Таким чином, у режимі холостого ходу справджується рівність:

Якщо кількість витків у первинній обмотці більша, ніж у вторинній то трансформатор понижує напругу (U₁ > U₂). І навпаки: якщо кількість витків у первинній обмотці менша, ніж у вторинній (k < 1), то трансформатор підвищує напругу (U₁ < U₂). Добираючи співвідношення між кількістю витків у первинній і вторинній обмотках, можна в потрібну кількість разів підвищувати або понижувати напругу.

• 1) трансформатор не може здійснити перетворення напруги постійного струму, оскільки в цьому випадку магнітний потік не змінюється й ЕРС індукції не виникає;
• 2) трансформатор не можна підключати до джерела постійного струму: опір первинної обмотки є малим, тому сила струму в ній зросте настільки, що трансформатор нагріється й вийде з ладу.

4. Як працює навантажений трансформатор

Якщо вторинну обмотку трансформатора замкнути на навантаження, то в ній виникне електричний струм (рис. 21.3). Цей струм спричинить зменшення магнітного потоку в осерді і, як наслідок, зменшення ЕРС самоіндукції в первинній обмотці. У результаті сила струму в первинній обмотці збільшиться і магнітний потік зросте до попереднього значення. Чим більшими є сила струму у вторинній обмотці й потужність, яка віддається споживачеві, тим більшими є струм у первинній обмотці й потужність, яка споживається від джерела.

Рис. 21.3. Робота навантаженого трансформатора: а — схема установки; б — електрична схема

Під час роботи навантаженого трансформатора для діючих значень напруги і сили струму справджується приблизна рівність:

Це означає, що в підвищувальному трансформаторі сила струму більша в первинній обмотці (U₁ < U₂ ⇒ I₁ > I₂), a в понижувальному трансформаторі сила струму більша у вторинній обмотці (U₁ > U₂ ⇒ І₂ > I₁). Якщо трансформатор ідеальний (втрати енергії дорівнюють нулю), то у скільки разів він збільшує напругу, у стільки ж разів він зменшує силу струму, і навпаки.

5. Як підвищити ККД трансформатора

У трансформаторі, як і в будь-якому іншому технічному пристрої, існують певні втрати енергії.

Відношення потужності Р₂, яку трансформатор віддає споживачеві електричної енергії, до потужності Р_1, яку трансформатор споживає з електричної мережі, називають коефіцієнтом корисної дії трансформатора:

Основні втрати енергії в трансформаторі й технічні прийоми, які застосовують для зменшення цих втрат, наведено в таблиці.

Втрати енергії в трансформаторі

Способи зменшення втрат енергії

Виділення теплоти внаслідок проходження електричного струму в обмотках.

Обмотки трансформатора виготовляють із високоякісної міді з досить великою площею поперечного перерізу. Зі збільшенням сили струму збільшується кількість теплоти, що виділяється в обмотках, тому обмотки нижчої напруги виготовляють із дроту більшого діаметра.

Виділення теплоти внаслідок виникнення струмів Фуко в осерді, яке весь час роботи трансформатора перебуває у змінному магнітному полі.

Осердя виготовляють із набірних пластин або із феритів, тим самим збільшуючи опір осердя і зменшуючи силу струмів Фуко.

Випромінювання енергії у вигляді електромагнітних хвиль.

Осердя виготовляють замкненим і такої форми, яка не сприяє випромінюванню електромагнітних хвиль.

Втрати енергії на перемагнічування осердя.

Осердя виготовляють із трансформаторної сталі, яка легко перемагнічується.

Завдяки своїй конструкції деякі трансформатори мають ККД понад 99 %.

6. Застосування трансформаторів

Підвищувальні трансформатори розташовують поблизу генераторів змінного струму, встановлених на електростанціях. Це дозволяє передавати електроенергію на великі відстані за високих напруг (понад 500 кВ), завдяки чому втрати енергії в проводах значно зменшуються.

У місцях споживання електроенергії встановлюють знижувальні трансформатори, в яких висока напруга, що подається від високовольтних ліній електропередачі, знижується до порівняно невеликих значень, за яких працюють споживачі електричної енергії (рис. 21.4).

Рис. 21.4. Схема передачі та розподілу енергії в електричній мережі

Окрім систем передачі та розподілу електроенергії трансформатори застосовують у випрямних пристроях, у лабораторіях, для живлення радіоапаратури, приєднання електровимірювальних приладів до кіл високої напруги, електрозварювання тощо.

7. Учимося розв’язувати задачі

Задача. Первинна обмотка трансформатора, яка містить 1500 витків дроту, підключена до кола змінного струму напругою 220 В. Визначте кількість витків у вторинній обмотці трансформатора, якщо вона має живити коло напругою 6,3 В за сили струму 1,5 А. Навантаження активне, опір вторинної обмотки — 0,20 Ом. Опором первинної обмотки знехтуйте.

Підбиваємо підсумки

Контрольні запитання

1. У чому перевага електричної енергії порівняно з іншими видами енергії? 2. Які основні способи зменшення втрат енергії під час її передачі? 3. Що таке трансформатор? Яка його будова? На якому явищі ґрунтується його дія? 4. Опишіть фізичні процеси, що відбуваються в трансформаторі в режимі холостого ходу; в режимі навантаження. 5. Як визначити коефіцієнт трансформації? 6. Який трансформатор називають знижувальним? підвищувальним? Де застосовують такі трансформатори? 7. Чому трансформатори не можна під’єднувати до джерел постійного струму? 8. Які основні втрати енергії під час роботи трансформатора? Як їх зменшити? 9. Як визначити ККД трансформатора?

1. На рис. 21.3 зображено лампу, приєднану через трансформатор до мережі змінного струму. Який це трансформатор — підвищувальний чи знижувальний? Чому вторинна обмотка виготовлена з товщого дроту, ніж первинна?

2. Первинна обмотка трансформатора містить 1000 витків дроту, вторинна — 3500. У режимі холостого ходу напруга на вторинній обмотці — 105 В. Яка напруга подається на трансформатор? Яким є коефіцієнт трансформації?

3. Потужність, яку споживає трансформатор, становить 90 Вт, напруга на вторинній обмотці — 12 В. Визначте силу струму у вторинній обмотці, якщо ККД трансформатора 75 %.

4. Трансформатор із коефіцієнтом трансформації 5 приєднаний до мережі змінного струму напругою 220 В. Визначте опір вторинної обмотки трансформатора, якщо напруга на ній дорівнює 42 В, а сила струму — 4,0 А. Опором первинної обмотки знехтуйте.

5. Чому трансформатор гуде? Якою є основна частота звукових коливань, якщо трансформатор підключений до промислової мережі?