Основным элементов трансформатора является магнитопровод. Это такая система, по которой замыкается магнитный поток, служащая основанием для крепления обмоток и других элементов аппарата. Пластины из тонкой электротехнической стали служат конструктивными элементами для сборки трансформаторов. Их изолируют с помощью жаростойкого покрытия, которое наносится заводом-изготовителем, или лака, применяемого после штамповки пластин.
Конструктивные особенности
Это очень полезное устройство. Трансформатор — это устройство, которое представляет собой сердечник с двумя обмотками. На них должно быть одинаковое количество витков, а сам сердечник набирается из электротехнической стали. На входе устройства подаётся напряжение, в обмотке появляется электродвижущая сила, которая создаёт магнитное поле.
Основной принцип работы устройства.
Через это поле проходят витки одной из катушек, благодаря чему возникает сила самоиндукции. В другой же возникает напряжение, отличающееся от первичного на столько раз, на сколько отличается число витков обеих обмоток.
С его помощью мы легко можем понизить напряжение и ток в цепях переменного тока. Появление трансформаторов сделало практической реальностью передачу электроэнергии на большие расстояния. Трансформаторы позволяют уменьшить потери на проводах линий электропередач (соединяющих генерирующие станции с нагрузками) понижения переменного тока.
На обоих концах (как на генераторе, так и на нагрузках) трансформаторы понижают уровни напряжения до более безопасных значений и снижают стоимость применяемого оборудования.
Понижающий трансформатор может быть различных типов и видов: одно- или трехфазный, с открытым корпусом или с защитным кожухом. Одна из важнейших характеристик прибора – это коэффициент трансформации, который не должен превышать 1. Основные факты о понижающих трансформаторах приведены на рисунке ниже.
Основные факты о понижающих трансформаторах.
В зависимости от модификации устройство преобразовывает электрический ток разного начального напряжения, которое может достигать 660В. Трансформатор, понижающий до 220В, получил наибольшее распространение. Существует также понижающий до 380 Вольт трансформатор.
Магнитопровод – это совокупность элементов ферромагнитного материала (обычно электротехническая сталь), которые собраны в определенной геометрической форме. В нем происходит локализация основного магнитного поля трансформатора понижающего.
Вся магнитная система вместе со всеми компонентами называется остовом. При этом часть, где располагаются основные обмотки, называют стержнем. А часть, необходимая для замыкания магнитной цепи, – это ярмо.
В соответствии с расположением стержней в пространстве понижающий трансформатор может иметь плоскую, пространственную, симметричную либо несимметричную магнитную систему.
В соответствии с предъявляемыми требованиями для каждого случая выходное напряжение может быть разным: например, трансформатор, понижающий до 36 Вольт, а также 12, 24, 42В и т.д. В видео подробно рассказано про принцип работы прибора.
Какой сердечник лучше
Понижающие трансформаторы напряжения отличаются конструктивными особенностями. Производители делают выбор в пользу одной из двух концепций – броневая или стержневая.
Принципиальное отличие технических решений сводится к тому, что в первом случае обмотки заключены в сердечнике броневого типа, а во втором – сердечник заключен в обмотках стержневого типа.
При этом в устройствах первого типа ось обмоток может располагаться вертикально или горизонтально, в то время, когда во втором случае – ось размещается вертикально.
Будет интересно➡ Устройство и схема трехфазного трансформатора
Однако способ производства не влияет на эксплуатационные характеристики и надежность устройства. Предприятие выбирает тот вариант, который считает наилучшим с точки зрения организации технологического процесса.
Сердечник и катушки понижающего трансформатора.
Влияние некачественной сборки на характеристики изделия
Наиболее распространенным дефектом собранной конструкции может быть плохая стыковка ярма с пластинами стержня. Вследствие этого, появившиеся зазоры приведут к возрастанию тока холостого хода (Iхх) трансформатора. Также ухудшится магнитный поток.
Если при сборке изделия количество пластин, входящих в ярмо, будет менее требуемого, то это вызовет уменьшение поперечного сечения, что спровоцирует рост магнитной индукции и увеличение потерь на холостом ходу. Любые механические повреждения пластин магнитопровода, во время шихтовки, также вызовут ухудшение технических параметров трансформатора.
Принцип действия
Принцип действия понижающего трансформатора основан на использовании явления взаимной индукции, которая действует через магнитное поле, и обеспечивает передачу электроэнергии из одного контура устройства в другой. Действие трансформатора происходит так:
- Ток проходит по первичной катушке, которая создаёт магнитное поле.
- Все силовые линии замыкаются возле проводников катушки.
- Некоторые из этих силовых линий замыкаются возле проводников другой катушки. Получается, что обе связаны между собой при помощи магнитных линий.
- Чем дальше расположены обмотки друг от друга, тем с меньшей силой возникает между ними магнитная связь, так как меньшее количество силовых линий первой цепляется за силовые линии второй.
- Через первую проходит переменный ток (который меняется во времени и по определённому закону), значит, магнитное поле, которое создаётся, тоже будет переменным, то есть меняться во времени и по закону.
Из-за изменения тока в первой в обе катушки поступает магнитный поток, который меняет величину и направление. Происходит индукция переменной электродвижущей силы. Об этом говорится в законе электромагнитной индукции.
Если концы второй соединить с приёмниками электроэнергии, то в цепочке приёмников появится ток. К первой от генератора будет поступать энергия, которая равная энергии, отдаваемой в цепочку второй. Энергия передаётся посредством переменного магнитного потока.
Схема простейшего тороидального понижающего трансформатора.
Понижающий трансформатор (220B 110В) обеспечивает нормальную работу оборудования и электроприборов, которые изготовлены в странах, где нормы сетей электропитания отличаются от российского стандарта.
Понижающие трансформаторы напряжения имеют широкую область применения, однако чаще всего они используются в источниках питания различных приборов и в электросетях. Выбор конкретного устройства необходимо осуществлять с учетом определенных запросов для каждого отдельного случая.
Любой из рассмотренных типов трансформаторов можно использовать по противоположному назначению (подключить вторичную обмотку к источнику переменного напряжения, а первичную обмотку – к нагрузке).
В этом случае трансформатор будет выполнять противоположную функцию: понижающий трансформатор будет функционировать как повышающий, и наоборот. Однако, для эффективной работы трансформатора индуктивности каждой из его обмоток должны быть спроектированы под конкретные рабочие диапазоны напряжения и тока.
Поэтому, при использовании трансформатора по “противоположному” назначению, напряжения и токи его обмоток должны оставаться в исходных конструктивных параметрах. Только в этом случае трансформатор будет эффективен (и не будет поврежден чрезмерным напряжением или током!).
Трансформаторы часто имеют такую конструкцию, что не очевидно, какие провода принадлежат к первичной обмотке, а какие к вторичной. Во избежание путаницы, на многих трансформаторах (в основном импортного производства) используется обозначение “Н” для высоковольтной обмотки (первичная обмотка в понижающем трансформаторе, вторичная обмотка в повышающем трансформаторе), и обозначение “X” для низковольтной обмотки. Поэтому простой силовой трансформатор будет иметь провода с надписью «H1», «H2», «X1» и «X2».
Материал в тему: как устроен тороидальный трансформатор и в чем его преимущества.
Проверка понижающего трансформатора мультиметром
Допустим, трансформатор 4-контактный – два провода с первичной обмотки и два со вторичной. Его проверка сводится к выявлению повреждений в обмотках. Чтобы установить, имеются ли таковые, для начала переведем мультиметр в режим тестирования диодов либо переставим переключатель на шкалу сопротивления. Затем проверяем одну катушку, не уделяя внимания полярности подключения щупов, так как она в данном случае абсолютно не важна. То же самое проделываем и со второй.
Низкие показания омметра укажут на исправность обмоток, отсутствие реакции тестера – на обратное.
Если принадлежность того или иного контакта к какой-либо из обмоток не известна, тогда она устанавливается в процессе проверки – сопротивление в первичной у понижающего трансформатора должно быть несколько больше.
Практическая значимость
Практическая значимость вышесказанного становится более очевидной, когда рассматривается альтернатива: до появления эффективных трансформаторов, преобразование уровней напряжения и тока могло быть достигнуто только за счет использования установок, содержащих моторы и генераторы.
В то время, как и мотор и генератор являются достаточно эффективными устройствами, использование их в связке не обладает достаточной эффективностью, так что общий КПД установки находится в диапазоне 90% или менее.
Схема трансформатора в простом зарядном устройстве.
Кроме того, движущиеся части данных установок подвержены трению и механическому износу, а это, в свою очередь, влияет как на срок службы, так и на производительность. Трансформаторы же, с другой стороны, способны преобразовывать переменное напряжение и ток с очень высокой эффективностью без движущихся частей, что делает возможным широкое распространение и использование электроэнергии, которую мы считаем само собой разумеющимся.
Справедливости ради стоит сказать, что установки мотор/генератор не обязательно являются устаревшими в сравнении с трансформаторами во всех сферах применения.
Если трансформаторы явно превосходят моторы/генераторы в преобразовании переменного напряжения и тока, то они не могут преобразовать одну частоту переменного тока в другую, а также преобразовать (сами по себе) постоянное напряжение в переменное или наоборот.
Будет интересно➡ Что такое трансформатор?
Установки мотор/генератор могут все это делать относительно просто, хотя и с некоторыми ограничениями эффективности, описанными выше. Эти установки также обладают уникальным свойством сохранения кинетической энергии.
То есть, если по какой-либо причине источник питания мотора мгновенно отключается, его угловой момент (инерция вращательного движения) будет еще некоторое время поддерживать вращение генератора, изолируя тем самым нагрузку (питаемую генератором) от «сбоев» в основной энергосистеме.
В чем его достоинства и недостатки
Любое электротехническое приспособление обладает рядом преимуществ и недостатков. Однофазные электрические трансформаторы этому не исключение. Достоинств у них больше, чем минусов. Основными из них являются:
- обладают одним из самых больших коэффициентов полезного действия (КПД), который составляет 98 %;
- отлично охлаждаются и обладают повышенной стойкостью к перегрузкам и кратковременным скачкам напряжения;
- экологическая безопасность сухого вида. Масла в них нет, а значит, что окружающей среде ничего не может навредить даже после утилизации;
- отсутствие нужды соблюдения особых противопожарных мер в местах установки трансформаторов;
- сравнительно небольшие размеры, позволяющие устанавливать аппараты в небольшие отсеки.
Вам это будет интересно Процедура замены электросчетчика
Не лишены эти приборы и ряда недостатков, которые зависят от их вида и места применения:
- сложное обслуживание, если аппарат масляный. Его регулярно нужно проверять на пробой и подтекание резиновых прокладок, замена которых достаточно сложная;
- сухие однофазные приборы не переносят повышенную влажность, ветер, химические и физические воздействия, а также загрязнение;
- высокая стоимость сухих трансформаторов по сравнению с масляными.
Обычный прибор для однофазных сетей
Область применения
Сегодня множество приборов, используемых в быту, требует пониженного напряжения. Это современные телевизоры, персональные компьютеры и ноутбуки, различные гаджеты.
Однако эти прибору идут либо в комплекте с трансформатором, называемым блоком питания, либо он встроен в устройство. А вот освещение – отдельный вопрос.
Галогенные или светодиодные лампы (особенно устанавливаемые в помещениях с повышенной влажностью) требуют наличия отдельного устройства понижения напряжения. Это обусловлено требованиями безопасности, хотя и экономичность играет не последнюю роль.
Приобретая трансформатор для светодиодных ламп 12 вольт для ванной комнаты, нужно обратить внимание на класс защиты IP. Устройство должно быть защищено от брызг во избежание короткого замыкания и выхода из строя. Для гостиной или спальни — это требование несущественно.
Назначение
Основное применение понижающего трансформатора – получение низкого напряжения для питания электрического прибора. Очень часто эти устройства являются главным элементом схем блоков питания бытовых электрических приборов. Так как большинство бытовой электроники потребляет постоянный ток, то после понижения напряжения до приемлемого уровня, полученную электрическую синусоиду еще и выпрямляют.
С целью повышения качества электрического питания применяют стабилизирующие и фильтрующие схемы, отсекающие нежелательные искажения. В ряде случаев в бытовой технике используется переменное напряжение, преобразованное понижающим трансформатором, без выпрямления тока.
Для получения пониженного импульсного напряжения существуют модели импульсных трансформаторов. На выходе этих устройств изменяется не только амплитуда колебаний, но и форма кривой.
Расчет индуктивности катушки
Обратите внимание на то, что первичная обмотка (l1) имеет в 100 раз большую индуктивность, чем вторичная (10000 Гн против 100 Гн), и что напряжение было понижено с 10 В до 1 В (в 10 раз).
Обмотка с большей индуктивностью имеет более высокое напряжение и меньший ток. Поскольку обе обмотки трансформатора намотаны вокруг одного и того же сердечника (для наиболее эффективной магнитной связи между ними), параметры, влияющие на их индуктивность равны, за исключением количества витков в каждой из обмоток.
Если мы еще раз взглянем на формулу индуктивности, то увидим, что индуктивность катушки пропорциональна квадрату числа ее витков:
Понижающий трансформатор высотою в 4 метра.
Таким образом, должно быть очевидно, что две обмотки трансформатора при соотношении их индуктивностей 100 : 1 должны иметь соотношение витков провода 10 : 1, так как 10 в квадрате равно 100.
Соотношение витков соответствует соотношению между первичным и вторичным напряжениями и токами (10 : 1).
Мы можем сказать, что коэффициент трансформации напряжения и тока равен соотношению витков провода между первичной и вторичной обмотками.
Понижающие трансформаторы, применяющиеся для распределения электроэнергии, могут иметь гигантские размеры (сопоставимые с размером дома).
Принцип работы
Любой однофазный трансформатор функционирует по принципу передачи со входа (первичной обмотки) на выход (выходные контакты вторичной обмотки) полного повторения входного напряжения в пересчете на соотношение витков во вторичной и в первичной обмотках. Подавая на первичную напряжение U1 и соединив вторичную с нагрузкой, получаем соответственно токи I1 и I2 в каждой. Эти токи сгенерируют магнитные потоки Ф1 и Ф2, направленные друг на друга. Общий магнитный поток в магнитопроводе снизится, вследствие чего индуктированные им ЭДС E1 и E2 уменьшатся.
Показатель U1 останется прежним, и понижение E1 вызовет повышение I1. С увеличением I1 будет происходить увеличение Ф1 до тех пор, пока не скомпенсируется размагничивающее действие Ф2. Равновесие восстанавливается при достижении прежнего значения общего потока.
Как сделать устройство с 220 на 12 вольт своими руками
Несмотря на то, что данный прибор кажется на первый взгляд сложным устройством, его можно собрать самостоятельно. Порядок сборки подобного устройства очень простой. Сначала следует сделать некоторые расчёты и можно приступать к работе. Чтобы можно было быстро и просто производить намотку катушек, необходимо сделать простое приспособление из доски, стоек и рукоятки.
Образец самодельного устройства.
Сначала рассчитываются характеристики и количество витков на обмотках устройства. В данном случае, напряжение первичной сети равно 220 В.
Будет интересно➡ Масляные трансформаторы – что это такое, устройство и принцип работы
Получить при помощи прибора планируется 12 В, при площади сечения в 6 квадратных сантиметров, значит составляется формула с такими расчётами:
постоянная величина среднего трансформаторного железа равна 60, её следует разделить на площадь.
Получится 10 — это показатель витков, которые приходятся на один Вольт. Полученное число умножается на 220 — это число витков первичной обмотки. Количество витков второй нужно рассчитывать по такому же принципу: полученные 10 витков умножаются на 12 В.
Сердечник можно изготовить из жестяных банок, для этого надо нарезать полоски длиной до 30 см, шириной — 2 см. Эти заготовки обжигаются в печи на огне, после этого они остывают и с поверхности нужно счистить окалину. Покрыть лаком и наклеить с одной стороны полоски бумаги.
Почитать материал по теме: Как собрать повышающий трансформатор своими руками.
Также необходимо приготовить провод с бумажной изоляцией, сечение — 0,3 мм. Вторичная обмотка будет выполняться проводом сечением 1 мм. Из толстого картона выполнить основу для катушки. На неё намотать пропарафиненную бумагу и после этого можно приступать к намотке проволоки.
Пример схемы подключения понижающего трансформатора 220 на 12 В.
После каждых двух рядов нужно прокладывать слой этой бумаги. Вторичная обмотка наматывается в том же направлении, что и первая.
В готовую катушку необходимо вставить железные полоски, они должны войти на половину своей длины. Этими полосками обтягивается основа, и концы соединяются внизу.
Возле сердечника и каркаса оставляется небольшое расстояние. Основание для понижающего устройства лучше сделать из обычной доски толщиной до 50 мм.
Крепить детали лучше при помощи больших металлических скобок. Делать это нужно так, чтобы скобки огибали нижнюю часть сердечника. Последним шагом концы обмоток выводятся на каркас и закрепляются с контактами.
Чтобы было легче наматывать катушки (на заводах для этого используют специальное оборудование), можно использовать две деревянные стойки, закреплённые на доске, и ось из металла, продетую между отверстиями в стойках. На одном конце следует металлический прутик изогнуть в виде рукоятки.
Виды магнитопроводов
Магнитопроводы изготавливают стержневой, броневой и кольцевой конструкций.
Стержневой тип
Вертикальные сердечники ступенчатого сечения образуют с горизонтальными ярмами окружность. Обмотки расположены только на вертикальных элементах. Вся система магнитопровода устроена в виде замкнутой цепи.
Пластинчатые наборные магнитопроводы
Броневой тип
Сердечники в сечении имеют прямоугольную форму. Они занимают горизонтальное положение. Обмотки тоже выполнены в прямоугольном виде. Для того чтобы исполнить такую конфигурацию оборудования, требуется довольно сложная производственная технология. Поэтому такой тип МП используется только в специальных видах трансформаторов.
Кольцевой – тороидальный тип
Кольцевые ленточные магнитопроводы применяют в сборке силовых однофазных трансформаторов. МП изготавливают из холоднокатаной электротехнической стали толщиной 0.08, 0,3 и 0,35 мм. Тороидальные сердечники изготавливают из феррита или карбонильного железа. Их широко применяют в радиоэлектронике.
Кольцевые тороидальные МП
Марки ферритов
Ферриты по своему составу подразделяются на две группы: марганцово-цинковые и никель-цинковые. Марганцово-цинковые ферриты обозначают буквами НМ, соответственно, никель-цинковые вещества маркируют литерами – НН. Число перед буквенным обозначением феррита означает величину начальной магнитной проницаемости в единицах µнач. Этот показатель даётся с корректировкой номинального значения. Например, феррит марки 4000НМ имеет магнитную проницаемость с отклонением в пределах от – 800 до + 500 µнач.
Магнитопроводы имеют исключительное значение в формировании таких приборов, как трансформаторы и другие электротехнические устройства. От их качественного состава во многом зависят исходные технические характеристики приборов.
