Трансформа́тор (від — перетворювати) — пристрій для перетворення параметрів (амплітуд і фаз) напруг і струмівДСТУ 2815-94 Електричні й магнітні кола та пристрої. Терміни та визначення..
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 струмуГОСТ 16110-82 Трансформаторы силовые. Термины и определения..
Трансформатори широко застосовуються в лініях електропередач, в розподільних та побутових пристроях. На високій напрузі й з малою силою струму передавання електроенергії відбувається з меншими втратами. Тому, зазвичай лінії електропередач є високовольтними. Водночас побутові й промислові машини вимагають великої сили струму й невеликої напруги, тож перед споживанням електроенергія перетворюється на 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 1831 року англійським фізиком Майклом Фарадеєм під час проведення 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, хоча ще в 1876 році Яблочков П. М. запатентував (патент Франції № 115793 від 30 листопада 1876 рокуIablochkov, Pavel Nikolaevich на сайті TheFreeDictionary.com Farlex, Inc.) аналогічний пристрій для створених ним освітлювальних пристроїв — «свічок Яблочкова» . Це був трансформатор з розімкнутим осердям, у вигляді стрижня, на який намотувались обмотки.
У 1885 р. угорські інженери фірми «Ganz factory» Отто Блаті, Каролі Зіперновскі і Мікша Дері винайшли трансформатор із замкнутим магнітопроводом, що зіграло важливу роль надалі розвитку конструкцій трансформаторівHughes, 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..
Велику роль для підвищення надійності трансформаторів зіграло застосування масляного охолодження (кінець 1880-х років, Джордж Свінберн). Свінберн розташовував трансформатори у керамічних посудинах, заповнених оливою, що суттєво підвищувало надійність ізоляції обмоток.Савинцев Ю. М Силовые трансформаторы: основные вехи развития ..
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 польсько-російського походження, випускник одеського реального училища (1878 рік) — Михайло Доливо-Добровольський 1889 року розробив для німецької фірми «Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft» перший трифазний трансформатор. На електротехнічній виставці у Франкфурті-на-Майні 1891 року пан Доливо-Добровольський представляв дослідне високовольтне електропередавання трифазного струму на відстань 175 км. Трифазний генератор мав потужність 230 кВт за напруги 95 В.
У 1891 році Нікола Тесла винайшов резонансний трансформатор для вироблення високої напруги на високій частоті 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..
Будова й спосіб дії
Найпростіший трансформатор складається з двох обвиток на спільному осерді. Одна з обвиток під'єднана до джерела змінного струму. Ця обвитка називається первинною. Інша обвитка, вторинна, служить джерелом струму для навантаження. Створений струмом у первинній обвитці змінний магнітний потік викликає появу е.р.с. у вторинній обвитці, оскільки обидві обвитки мають спільне осердя. Співвідношення е.р.с. у вторинній обвитці й напруги на первинній залежить від кількості витків у обох обвитках. У зразковому випадку ,
де індексом P позначені величини, що стосуються первинної обвитки, а індексом S — відповідні величини для вторинної обвитки, U — напруга, N — кількість витків, I — сила струму.
Таким чином, перетворення напруги й сили струму в трансформаторі визначається кількістю витків у первинній та вторинній обвитках. Напруга пропорційна кількості витків, тоді як сила струму обернено пропорційна їй.
Втрати енергії У звичайних трансформаторах енергія передається від первинного кола до вторинного з втратами. Існує низка фізичних причин, що їх зумовлюють.
Однією з причин втрат є активний опір обвиток. Під час протікання струму крізь трансформатор, він нагрівається і віддає тепло навколишньому середовищу. У разі збільшення частоти опір обмоток збільшується через скін-ефект та ефект близькості, які зменшують площу перерізу провідника, крізь який протікає струм.
Ще одна причина втрат — перемагнічування осердя внаслідок гістерезису. Ці втрати для відповідної речовини осердя, пропорційні частоті й залежать від пікового значення потоку магнітного поля крізь 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 сталевих пластинок, оскільки втрати, пов'язані зі струмами Фуко, обернено квадратично залежать від товщини матеріалу. На високих частотах для виготовлення осердь використовують феромагнітні матеріали, які завдяки більшому опору, мають значно менші втрати.
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 обвитка 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% . Трансформатори з надпровідних матеріалів можуть збільшити цей коефіцієнт до 99,85% .
Втрати у трансформаторах залежать від навантаження. Втрати без навантаження (холостий хід) зумовлені здебільшого опором обвиток, тоді як причиною втрат при повному навантаженні зазвичай є гістерезис та вихрові струми. Втрати за відсутності навантаження, можуть бути значними, тому навіть, якщо до вторинної обвитки нічого не увімкнено, трансформатори повинні задовольняти умовам економної роботи. Виготовлення трансформаторів із малими втратами вимагає великого осердя, високоякісної електротехнічної сталі, грубіших провідників, що збільшує початкові затрати, але окупається впродовж експлуатації.
Режими роботи трансформатора
Режим холостого ходу Трансформатор може працювати в режимі холостого ходу, коли вторинне коло розімкнене (навантаження відсутнє), тобто . 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 визначає 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 Режим короткого замикання можна отримати в результаті замикання вторинної обмотки накоротко. 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 у 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. За таких умов величина напруги короткого замикання визначає втрати в обвитках трансформатора, втрати на омічний опір. Потужність втрат можна обчислити помноживши напругу короткого замикання на струм короткого замикання.
Такий режим широко використовують у вимірювальних трансформаторах струму.
Режим навантаження Режим роботи трансформатора за якому вторинна обмотка замкнена на опір називається режимом роботи трансформатора під навантаженням. У такому режимі роботи, вторинною обвиткою протікатиме струм IS, який створить власний магнітний потік ΦS, який за правилом Ленца має зменшити зміни магнітного потоку в осерді. Це призводить до одночасного збільшення сили струму в колі первинної обвитки. Збільшення сили струму в колі первинної обвитки відбувається згідно із законом збереження енергії:
або .
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 так, що добуток сили струму на напругу приблизно однаковий у первинній і вторинній обвитках.
Різновиди +Умовні графічні позначення силових трансформаторів Трансформатор з двома обвитками на феромагнітному осерді Трансформатор з трьома обвитками. Крапками позначені початки обвиток, стосовно напрямку намотування Трансформатор з електростатичним екраном для усунення ємнісного зв'язку між обвитками
Силовий трансформатор
Силовий трансформатор — стаціонарний прилад з двома або більше обвитками, який за допомогою електромагнітної індукції перетворює одну систему змінної напруги та струму, на іншу систему змінної напруги та струму, переважно, різних значень з тією ж частотою задля передавання електроенергії на відстані без зміни її потужностіДСТУ ГОСТ 30830-2003 (IEC 60076-1-93) Трансформатори силові. Частина 1. Загальні положення (ГОСТ 30830-2002 (IEC 60076-1-93). IDT)«Power transformer» у Міжнародному електротехнічному словнику (IEV 421-01-01).
Силовий трансформатор використовують для перетворення параметрів електричної енергії в електричних мережах і устаткуванні, що застосовуються для приймання та споживання електричної енергіїДСТУ 2790-94 Системи електропостачальні номінальною напругою понад 1000 В: джерела, мережі, перетворювачі та споживачі електричної енергії. Терміни та визначення.. Силовий трансформатор застосовується у складі комплектних трансформаторних підстанцій для пониження напруги заради подавання електроенергії населеним пунктам.
Термін «силовий» вказує на роботу цього виду трансформаторів з великими потужностями. Необхідність застосування силових трансформаторів зумовлена різною величиною робочих напруг ліній електропередач (35…750 кВ), міських електромереж (здебільшого 6…10 кВ), напруги що подається кінцевим споживачам (0,4 кВ, вони ж 380/220 В) та напруги, потрібної для роботи електромашин і електроприладів (у досить широких межах — від одиниць вольт до сотень кіловольт).