что такое трансформатор напряжения определение
Они встречаются везде, где присутствует необходимость преобразовать высокое напряжение сети в пропорционально более низкое значение. В этом и есть их назначение: преобразование величины напряжения. ТН-ы используют для:
Если бы не существовало трансформаторов напряжения, то, например, чтобы измерить напряжение на шине 10кВ, пришлось бы сооружать супермощный вольтметр с изоляцией, выдерживающей 10кВ. А это уже габариты ого-го. А ещё плюс к этому необходимо соблюсти точность измерений. Проблемка, но и это не всё. Если в таком приборе что-то коротнет, то электрик ошибается однажды…. при выборе профессии. 10кВ, а ведь есть и 750кВ, как там померить? Загвоздочка. Поэтому отдаем почести изобретателям трансформаторов, и в частности трансформаторов напряжения. Отвлеклись, продолжаем.
Прежде, чем двигаться дальше, нарисую однофазный ТН, чтобы было наглядно и более понятнее далее в изложении материала.
Принцип работы ТН
Принцип действия трансформатора напряжения аналогичен принципу работы трансформатора тока. Обозначим это еще раз. По первичной обмотке проходит переменный ток, этот ток образует магнитный поток. Магнитный поток пронизывает магнитопровод и обмотки ВН и НН. Если ко вторичной обмотке подключена нагрузка, то по ней начинает течь ток, который возникает из-за действия ЭДС. ЭДС наводится из-за действия магнитного потока. Подбирая разное количество витков первичной и вторичной обмоток можно получить нужное напряжение на выходе. Более подробно это показано в статье про векторную диаграмму трансформатора напряжения.
Если на ТН подавать постоянное напряжение, то ЭДС не создается постоянным магнитным потоком. Поэтому ТНы выпускают на переменное напряжение. Коэффициентом трансформации трансформатора напряжения называют естественно отношение напряжения первичной обмотки к напряжению вторичной и записывают через дробь. Например, 6000/100. Когда приходят молодые студенты, они иногда на вопрос какой коэффициент отвечают 60. Не стоит так делать.
Классификация трансформаторов напряжения
ТНы классифицируются по следующим параметрам:
На напряжение 6, 10кВ используют литые ТНы, залитые эпоксидной смолой. Эти аппараты устанавливают в распредустройствах. Они занимают меньшие габариты, по сравнению с масляными. Также к их плюсам стоит отнести меньшее количество ухода за ними.
электромагнитные и емкостные
Если открыть объемы и нормы испытаний электрооборудования на странице ТНов, то можно увидеть, что трансформаторы напряжения там разделяются на электромагнитные и емкостные. В чем же состоит различие этих типов оборудования.
Электромагнитными считаем все ТНы в которых преобразование происходит по принципу, описанному выше (магнитные потоки, ЭДС и так далее). Индукционный ток, в брошюрах западных производителей их называют индуктивными, в противоположность емкостным. По моему всё именно так.
А вот емкостные трансформаторы напряжения, или же всё таки емкостные делители напряжения… Тут история умалчивает. Принцип работы такого оборудования можно понять, если нарисовать схему.
Вот, например схема ТН марки НДЕ-М. Они выпускаются на напряжение выше 110кВ. Состоит из емкостного делителя и электромагнитного устройства. Емкостной делитель состоит из конденсаторов С1 и С2. Принцип емкостного делителя в следующем. Напряжение линии Л делится обратно пропорционально величинам емкостей С1 и С2. То есть мы подключаем к С2 наш ТН и напряжение на нем пропорционально входному, которое идет по Л, но гораздо меньше его. Раз рассматриваем НДЕ, то вот табличка величин напряжения для разных классов оборудования.
Электромагнитное устройство состоит из понижающего трансформатора, реактора и демпфера.
Реактор предназначен для компенсации емкостного сопротивления и следовательно уменьшения погрешности.
Электромагнитный демпфер предназначен для устранения субгармонических колебаний, которые могут возникать при включениях и коротких замыканиях в обмотках ТНа.
Чем выше класс напряжения, тем емкостные трансформаторы напряжения выгоднее своих собратьев. За счет снижения размеров изоляции и материалов.
Что такое трансформатор: устройство, принцип работы, схема и назначение
Может быть, кто-то думает, что трансформатор – это что-то среднее между трансформером и терминатором. Данная статья призвана разрушить подобные представления.
Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.
Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного электрического тока одного напряжения и определенной частоты в электрический ток другого напряжения и той же частоты.
Работа любого трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции, открытой Фарадеем.
Назначение трансформаторов
Разные виды трансформаторов используются практически во всех схемах питания электрических приборов и при передаче электроэнергии на большие расстояния.
Электростанции вырабатывают ток относительно небольшого напряжения – 220, 380, 660В. Трансформаторы, повышая напряжение до значений порядка тысяч киловольт, позволяют существенно снизить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния, а заодно и уменьшить площадь сечения проводов ЛЭП.
Непосредственно перед тем как попасть к потребителю (например, в обычную домашнюю розетку), ток проходит через понижающий трансформатор. Именно так мы получаем привычные нам 220 Вольт.
Самый распространенный вид трансформаторов – силовые трансформаторы. Они предназначены для преобразования напряжения в электрических цепях. Помимо силовых трансформаторов в различных электронных приборах применяются:
Принцип работы трансформатора
Трансформаторы бывают однофазные и многофазные, с одной, двумя или большим количеством обмоток. Рассмотрим схему и принцип работы трансформатора на примере простейшего однофазного трансформатора.
Кстати, в других статьях можно почитать, что такое фаза и ноль в электричестве.
Из чего состоит трансформатор? Во простейшем случае из одного металлического сердечника и двух обмоток. Обмотки электрически не связаны одна с другой и представляют собой изолированные провода.
Одна обмотка (ее называют первичной) подключается к источнику переменного тока. Вторая обмотка, называемая вторичной, подключается к конечному потребителю тока.
Когда трансформатор подключен к источнику переменного тока, в витках его первичной обмотки течет переменный ток величиной I1. При этом образуется магнитный поток Ф, который пронизывает обе обмотки и индуцирует в них ЭДС.
Бывает, что вторичная обмотка не находится под нагрузкой. Такой режимы работы трансформатора называется режимом холостого хода. Соответственно, если вторичная обмотка подключена к какому-либо потребителю, по ней течет ток I2, возникающий под действием ЭДС.
Величина ЭДС, возникающей в обмотках, напрямую зависит от числа витков каждой обмотки. Отношение ЭДС, индуцированных в первичной и вторичной обмотках, называется коэффициентом трансформации и равно отношению количества витков соответствующих обмоток.
Путем подбора числа витков на обмотках можно увеличивать или уменьшать напряжение на потребителе тока с вторичной обмотки.
Идеальный трансформатор
Идеальный трансформатор – трансформатор, в котором отсутствуют потери энергии. В таком трансформаторе энергия тока в первичной обмотке полностью преобразуется сначала в энергию магнитного поля, а далее – в энергию вторичной обмотки.
Конечно, такого трансформатора не существует в природе. Тем не менее, в случае, когда теплопотерями можно пренебречь, в расчетах удобно пользоваться формулой для идеального трансформатора, согласно которой мощности тока в первичной и вторичной обмотках равны.
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Потери энергии в трансформаторе
Коэффициент полезного действия трансформаторов достаточно высок. Тем не менее, в обмотке и сердечнике происходят потери энергии, приводящие к тому, что температура при работе трансформатора повышается. Для трансформаторов небольшой мощности это не представляет проблемы, и все тепло уходит в окружающую среду – используется естественное воздушное охлаждение. Такие трансформаторы называют сухими.
В более мощных трансформаторах воздушного охлаждения оказывается недостаточно, и применяется охлаждение маслом. В этом случае трансформатор помещается в бак с минеральным маслом, через которое тепло передается стенкам бака и рассеивается в окружающую среду. В трансформаторах высоких мощностей дополнительно применяются выхлопные трубы – если масло закипает, образовавшимся газам нужен выход.
Трансформатор простыми словами
Мы привыкли к тому, что напряжение в розетке всегда 220 В. Возможно не все читатели подозревают, что прежде чем поступить к потребителю, выполнялись преобразования электрической энергии. Перед поступлением на провода ЛЭП, напряжение переменного тока увеличивали до десятков, а то и сотен киловольт, а на выходе – понижали, до привычных нам 220 В. Эти преобразования выполнили силовые трансформаторы. В данной статье я расскажу вам, что такое трансформатор простыми словами.
Потребность в преобразования переменного напряжения возникает практически на каждом шагу. Чаще всего мы испытываем необходимость в понижении напряжения, так как большинство узлов современных электронных устройств работает при низких напряжениях. Однако для некоторых цепей высоковольтных узлов требуются значительные напряжения, порядка нескольких тысяч вольт.
Рис. 1. Промышленный трансформатор
Что такое трансформатор?
Если коротко, то это стационарное устройство, используемое для преобразования переменного напряжения с сохранением частоты тока. Действие трансформатора основано на свойствах электромагнитной индукции.
Немного исторических фактов
В основу действия трансформатора легло явление магнитной индукции, открытое М. Фарадеем в 1831 г. Физик, работая с постоянным электрическим током, заметил отклонение стрелки гальванометра, подключенного к одной из двух катушек, намотанных на сердечник. Причем гальванометр реагировал только в моменты коммутации первой катушки.
Поскольку опыты проводились от источника постоянного тока, Фарадей не смог объяснить открытое явление.
Прообраз трансформатора появился лишь в 1848 году. Его изобрел немецкий механик Г. Румкорф, называя устройство индукционной катушкой особой конструкции. Однако Румкорф не заметил трансформации выходных напряжений.Датой рождения первого трансформатора считается день выдачи патента П. Н. Яблочкову на изобретение устройства с разомкнутым сердечником. Это случилось 30.11.1876 года.
Типы аппаратов с замкнутыми сердечниками появились в 1884 году. Их создали англичане Джон и Эдуард Гопкнинсоны.
По большому счету, технический интерес у электромехаников к переменному току возник только благодаря изобретению трансформатора. Идеи российского электротехника М. О. Доливо-Добровольского и всемирно известного Николы Тесла победили в спорах о преимуществах переменных напряжений именно благодаря возможности трансформации тока.
С победой идей этих великих электротехников потребности в трансформаторах резко выросла, что привело к их усовершенствованию и созданию новых типов приборов.
Общее устройство и принцип работы
Рассмотрим конструкцию простого трансформатора, с двумя катушками насаженных на замкнутый магнитопровод (см. Рис. 2). Катушку, на которую поступает ток, будем называть первичной, а выходную катушку – вторичной.
Рисунок 2. Устройство трансформатора
Фактически все типы трансформаторов используют электромагнитную индукцию для преобразования напряжения поступающего в цепь первичной обмотки. При этом выходное напряжение снимается из вторичных обмоток. Они различаются только по форме, материалам магнитопроводов и способам наматывания катушек.
Ферромагнитные сердечники применяются в низкочастотных моделях. Для таких сердечников используются материалы:
В некоторых высокочастотных моделях магнитопроводы могут отсутствовать, а в некоторых изделиях применяют материалы из высокочастотного феррита или альсифера.
В связи с тем, что для характеристик ферромагнетиков характерна нелинейность намагничивания, сердечники набирают из листовых материалов, на которые надевают обмотки. Нелинейная индуктивность приводит к гистерезису, для уменьшения которого применяют метод шихтования магнитопроводов.
Форма сердечника может быть Ш-образной или торроидальной.
Рисунок 3. Внешний вид трансформатора
Базовые принципы действия
Когда на выводы первичных обмоток поступает синусоидальный ток, то он во второй катушке создает переменное магнитное поле, пронизывающее магнитопровод. В свою очередь, изменение магнитного потока провоцирует наведение ЭДС в катушках. При этом величина напряжения ЭДС в обмотках находится в пропорциональной зависимости от количества витков и частоты тока. Отношение количества витков в цепи первичной обмотки к числу витков вторичной катушки называется коэффициентом трансформации: k = W1 / W2, где символами W1 и W2 обозначено количество витков в катушках.
Если k > 1, то трансформатор повышающий, а при 0 
Виды магнитопроводов
Более широкий спектр охватывает классификация по назначению.
Силовые
Назначения силового трансформатора понятно из названия. Термин силовые применяется к семейству моделей, как правило, большой мощности, используемых для преобразования электрической энергии в сетях ЛЭП и в различных обслуживающих установках.
При трансформации сохраняются частоты переменного тока, поэтому возможно подключение силовых трансформаторов в группы для работы в высоковольтных трехфазных сетях.
Силовые аппараты могут соединяться в группы с различными схемами подключения обмоток: по принципу звездочки, треугольником или зигзагом. Схема звездочка оправдана, если в трехфазных сетях нагрузка симметрическая. В противном случае предпочтения отдают треугольнику. При таком способе подключения токи первичной обмотки подмагничивают по отдельности каждый стержневой магнитопровод.
Тогда однофазное сопротивление приблизится к расчетному, а перекос напряжений будет устранен.
Автотрансформаторы
Группа устройств, в которых первичная и вторичная обмотки за счет их прямого соединения между собой образуют электрическую связь, называется автотрансформаторами. Характерным признаком этой группы является несколько пар выводов, к которым можно подключить нагрузку.
Обмотки автотрансформаторов имеют не только магнитную, но и электрическую связь. Они нашли применение в соединениях заземленных сетей, работающих под напряжением, превышающим 110 кВ, но при низких коэффициентах трансформации – не более 3 – 4.
Можно первичную обмотку подключить последовательно в электрическую цепь с другими устройствами и получить гальваническую развязку. Такие приборы получили названия трансформаторов тока. Первичную цепь таких устройств контролируют путём изменения однофазной нагрузки, а вторичную катушку используют в цепях измерительных приборов или сигнализации. Второе название приборов – измерительные трансформаторы.
Особенностью работы измерительных трансформаторов является особый режим выходной обмотки. Она функционирует в критическом режиме короткого замыкания. При разрыве вторичной цепи возникает резкое повышение напряжения в ней, что может вызвать пробои или повреждение изоляции.
Трансформатор тока
Напряжения
Типичное применение – изоляция логических цепей защиты измерительных приборов от высокого напряжения. Трансформатор напряжения – это понижающий прибор, преобразующий высокое напряжение в более низкое.
Импульсные
В работе современной электронике применяются высокочастотные сигналы, которые часто необходимо отделить от других сигналов.
Задача импульсных трансформаторов – преобразования импульсных сигналов с сохранением формы импульса.
Для высокочастотных импульсных аппаратов выдвигаются требования о максимальном сохранении формы импульса на выходе. Имеет значение именно форма, а не амплитуда и даже не знак.
Сварочные
В работе сварочного аппарата важен большой сварочный ток. При этом, сетевое напряжение понижают до безопасного уровня. Благодаря мощному электрическому току дуговой разряд сварочного аппарата плавит металл.
В сварочном трансформаторе имеется возможность ступенчатого регулирования величины тока во вторичных цепях способом изменения индуктивного сопротивления, либо путем секционирования одной из обмоток.
Фото устройства представлено на рисунке 6. Обратите внимание на наличие коммутирующего переключателя.
Рис. 6. Трансформатор для сварочного полуавтомата на броневом магнитопроводе
В сварочных аппаратах применяют конструкции на основе однофазных трансформаторов, а также с применением трехфазных трансформаторов. Для сварки некоторых металлов, например, нержавейки, сварочный ток выпрямляют.
Разделительные
Устройства, в которых нет электрической связи между обмотками, называют резделительными трансформаторами. Силовые разделительные аппараты применяются для повышения безопасности электросетей. Другая область применения разделительных трансформаторов – обеспечение гальванической развязки между отдельными узлами электрических цепей.
Согласующие
Данные типы аппаратов применяют для согласования сопротивления каскадов электронных схем. Они обеспечивают минимальное искажение формы сигналов, создают гальванические развязки между узлами электронных устройств.
Пик-трансформаторы
Аппараты, преобразующие синусоидальные токи в импульсные напряжения. Полярность выходных напряжений меняется через каждых полпериода.
Воздушные и масляные
Силовые трансформаторы бывают сухими (с воздушным охлаждением) (см. рис. 7) и масляными (см. рис. 8).
Модели сухих силовых трансформаторов чаще всего используют для преобразований сетевых напряжений, в том числе и в схемах трехфазных сетей.
Рисунок 7. Сухой трехфазный трансформатор
При подключении нагрузки происходит нагревание обмоток, что грозит разрушением электрической изоляции. Поэтому в сетях с напряжениями свыше 6 кВ работают приборы с масляным охлаждением. Специальное трансформаторное масло повышает надежность изоляции, что очень важно при больших выходных мощностях.
Рис. 8. Строение промышленного трансформатора с масляным охлаждением
Сдвоенный дроссель
Конструктивно такой аппарат является трансформатором с одинаковыми катушками. Катушки одинаковой мощности образуют встречный индуктивный фильтр. Эффективность аппарата выше, чем у дросселя (при одинаковых размерах).
Вращающиеся
Применяются для обмена сигналами с вращающимися барабанами. Конструктивно состоят из двух половинок магнитопровода с катушками. Эти части вращаются относительно друг друга. Обмен сигналами происходит при больших скоростях вращения.
Обозначение на схемах
Трансформаторы наглядно изображаются на электрических схемах. Символически изображаются обмотки, которые разделены магнитопроводом в виде жирной или тонкой линии (см. рис. 9).
Пример обозначения
На схемах трехфазных трансформаторов обмотки начинаются со стороны сердечника.
Области применения
Кроме преобразования напряжений в электрических сетях, трансформаторы часто применяются в блоках питания радиоэлектронных устройств. Преимущественно это автотрансформаторы, которые одновременно выдают несколько напряжений для различных узлов.
Сегодня все чаще используют бестрансформаторные блоки питания. Однако там где требуется питание мощным переменным током, без электромагнитных устройств не обойтись.
Что такое трансформатор напряжения и как он работает?
Для передачи электроэнергии на большие расстояния напряжения электрического тока с помощью силовых трансформаторов повышают до сотен тысяч вольт. Поскольку высокие напряжения очень опасны, то для работы электроприборов используют ток после силового понижающего трансформатора. Однако на всей протяженности ЛЭП установлено множество защитных устройств. Для отделения напряжений цепей этих приборов от потенциалов линий электропередач применяют трансформатор напряжения (ТН).
Приборы этого типа часто используются для безопасного способа подключения измерительных приборов. Задача ТН состоит в преобразовании высоковольтных токов линий (свыше 6 кВ) до безопасного уровня. Применение таких трансформаторов удешевляет эксплуатацию энергосистем за счет снижения затрат на изоляцию оборудования, работающего в низковольтных сетях.
Устройство и принцип действия
Конструктивно ТН особо не отличается от других типов преобразующих устройств. Его устройство:
Внешний вид и схематическое изображение изделия смотрите на рис.1. На картинке изображено устройство с одной (основной) вторичной обмоткой. На некоторых моделях есть дополнительная вторичная обмотка, которая может использоваться, например, для подключения приборов измерения.
Рис. 1. Трансформатор напряжения. Строение
Обратите внимание на то, что между выводами первичных обмоток и вторичными катушками отсутствует гальваническая связь. Это главное отличие измерительных трансформаторов от конструкции обычного понижающего трансформатора.
Защитные кожухи изготовляются из разных материалов. В моделях, используемых для обслуживания высоковольтных ЛЭП, применяют диэлектрики, изготовленные из фарфора (рис. 2),
Для охлаждения обмоток таких высоковольтных агрегатов применяют специальные трансформаторные масла.
В сетях средней мощности применяют модели с корпусами на основе эпоксидных смол (рис. 3).
Рис. 3. ТН наружного типа
Трехфазные ТН с нулевыми выводами выполняются на магнитопроводе с пятью стержнями. Такая конструкция защищает обмотки от перегрева, так как при однофазных замыканиях в цепях высоковольтных проводов цепь линий суммарного магнитного потока в самом трансформаторе замыкается по стали сердечника.
Принцип действия также мало отличается от работы силового понижающего трансформатора. Магнитный поток, возникающий в первичной катушке, распространяется по магнитопроводу, вызывая напряжение ЭДС во вторичной обмотке. Величина напряжения зависит от соотношения числа витков в катушках. Поскольку вторичные обмотки состоят из малого количества витков, то и выходное напряжение небольшое (обычно оно не превышает 100 В).
Принцип работы ТН объясняет схема на рисунке 4.
Рис. 4. Принцип работы трансформатора напряжения
Важной задачей при изготовлении трансформаторов данного типа является выполнение требований по достижению необходимых амплитудных и угловых параметров синусоиды, определяющих соответствующий класс точности: 0,5; 1; 3. В эталонных образцах применяется класс точности 0,2. Для измерительных приборов важно чтобы класс точности был максимально высоким. Чем он выше, тем меньшая погрешность измерения прибора.
Точность параметров преобразованных переменных токов зависит от нагрузки. Чем выше нагрузка вторичной цепи, тем больше погрешность трансформатора напряжения (снижается класс точности). Оптимальные параметры напряжения на выходе трансформатора достигаются при номинальных нагрузках. В этом режиме эффективность преобразования тока возрастает по мере приближения к номинальному коэффициенту трансформации.
Работа ТН эффективна при малых номинальных мощностях во вторичных цепях. Для этих устройств длительное состояние в режиме холостого хода является нормой. Поэтому они эффективно используются в системах защиты линий, которые большую часть времени находятся в режиме ожидания и потребляют мало тока.
Разновидности
По конструкции и способам подключения трансформаторы напряжения классифицируются следующим образом:
Можно отдельно выделить низковольтные конструкции, которые используются в некоторых электронных устройствах. Данный класс электронных трансформаторов применяют в тех случаях, когда в электронных схемах необходима развязка, отделяющая цепи высоких напряжений от низких.
Расшифровка маркировки
Для различения разновидностей моделей к ним применяют буквенную маркировку:
Технические параметры
Основные сведения указываются на шильдике трансформатора напряжения.
Технические параметры трансформаторов:
К важным сведениям относится параметры номинальной частоты и класс точности для номинального коэффициента трансформации. На некоторых моделях изготовители указывают угловые погрешности и допустимые погрешности напряжений.
Схемы подключения
Простейшая схема подключения применяется в пунктах обслуживания линий под напряжением 6 – 10 кВ. Подключенные по такой схеме трансформаторы используются для включения вольтметра и подачи напряжений на реле устройства АВР. Пример такой схемы показан на рис. 7.
Рис. 7. Простая схема подключения трансформатора напряжения
На рисунке 8 приведена схема, применяемая для включения однофазных трансформаторов с целью подачи безопасного напряжения на нагрузки, запитанные от вторичных обмоток. В данной схеме использовано группу однофазных трансформаторов, катушки которых соединены по принципу звезды. Обратите внимание, что первичные обмотки соединены с глухозаземленной нейтралью.
Рис. 8. Еще пример схемы подключения
Данная схема применяется в сетях 0,5 – 10 кВ для подключения измерительных приборов, счетчиков. По аналогичной схеме подключаются вольтметры, используемые для контроля изоляции.
Схема эффективна для приема сигналов, свидетельствующих об однофазных замыканиях на землю. Существуют и другие схемы подключений, в частности по типу соединения открытого треугольника. Особенность таких схем в том, что мощность группы из двух ТН меньше мощности трех устройств соединенных по схеме полного треугольника не в 1,5 раза, а в √3 раз.
В некоторых схемах применяется комбинированное соединение обмоток. Для этого подходит соединение «треугольник – звезда». В работе таких схем номинальное напряжение составляет 173 В. Указанный способ подключения применяется в системах регулирования возбуждения обмоток генераторов и компенсаторов.
Применение
Основное применение первичных преобразователей напряжений – подача питания на обмотки измерительных приборов и подключение реле защиты в сетях 380 В и выше. Трансформаторы позволяют расширить диапазоны измерений и изоляцию реле от высоких межфазных потенциалов. Включение выводов первичных обмоток между фазой и землей дает возможность градуировать шкалы приборов с учетом коэффициента трансформации, что позволяет контролировать первичные параметры линий ЛЭП.
Изменение параметров напряжений в первичных цепях влияет на поведение переменных магнитных потоков. Эти возмущения фиксируются вторичными обмотками, которые реагируют изменением амплитуды тока и частоты колебаний. Сигналы поступают на различные защитные устройства, которые автоматически отключают участки линий с КЗ и с другими критичными отклонениями.