Трансформаторы – самое узнаваемое оборудование в энергосистемах. Они большие, необычные, простые в принципе, но требуют тщательного ухода, из-за чего кажутся гораздо более солидными, чем «кабели». На схеме электросети трансформаторы являются магистральными узлами, а другое оборудование служит их связями.

В этой статье будут представлены компоненты, принципы, функции, классификация и сценарии применения трансформаторов.

1. Состав трансформатора

Трансформатор в основном состоит из сердечника и обмоток.

Сердечник служит магнитной цепью трансформатора, а обмотки представляют собой часть электрической цепи, выполненную путем намотки определенного количества витков провода с эмалированным покрытием.-

Обмотка, подключенная к источнику питания, называется первичной обмоткой, также известной как первичная катушка. Та, которая подключена к нагрузке, называется вторичной обмоткой, также известной как вторичная катушка или вторичная боковая обмотка.

Основными формами основных структур являются ядро-в форме сердца и тип оболочки.

• Трансформатор с сердечником-в форме сердца

Колонны трансформатора с сердечником-типа окружены обмотками. Проще говоря, обмотки окружают сердечник, что делает конструкцию относительно простой, ее легче собирать и изолировать, поэтому в трансформаторах часто используется структура типа сердечника.

• Трансформатор кожухового-типа

В трансформаторе кожухового-типа сердечник окружает обмотку. Трансформаторы кожухового-типа имеют высокую механическую прочность и выступающие углы, но процесс их изготовления сложен и требует больше материалов. Обычно они используются только в трансформаторах низкого-напряжения, высокого-тока или силовых трансформаторах малой-мощности.

2.Основной принцип работы трансформатора.

Трансформатор работает по принципу электромагнитной индукции.

Когда к обоим концам первичной обмотки подключен подходящий источник переменного тока, под действием напряжения питания u₁, переменный ток i₀ течет через первичную обмотку, создавая магнитодвижущую силу в первичной обмотке. Это возбуждает переменный магнитный поток φ в сердечнике. Этот переменный поток φ связывает как первичную, так и вторичную обмотки. По закону электромагнитной индукции наведенные электродвижущие силы e₁и е₂возникают в первичной и вторичной обмотках соответственно. Под действием наведенной электродвижущей силы e₂вторичная обмотка может подавать мощность на нагрузку, обеспечивая передачу энергии.

Отношение наведенных электродвижущих сил в первичной и вторичной обмотках равно отношению числа витков в первичной и вторичной обмотках. Величина наведенной электродвижущей силы e₁на первичной стороне близко к приложенному напряжению u₁на первичной стороне, а величина наведенной электродвижущей силы e₂на вторичной стороне близко к выходному напряжению u₂на вторичной стороне.

Поэтому, просто изменив один или два раза количество витков в первичной или вторичной обмотке, выходное напряжение u₂можно регулировать. Это основной принцип работы трансформатора, который использует принцип электромагнитной индукции для преобразования источника переменного тока одного уровня напряжения в источник переменного тока той же частоты, но другого уровня напряжения.

2. Основные функции трансформатора.

Основные функции трансформатора включают преобразование напряжения, преобразование тока, преобразование импеданса, изоляцию и регулирование напряжения.

Преобразование напряжения: Трансформаторы могут увеличивать или уменьшать напряжение переменного тока для удовлетворения различных потребностей в электроэнергии. Например, повышающий-трансформатор используется для повышения напряжения электростанции с целью уменьшения потерь энергии при передаче, а понижающий-трансформатор используется для понижения высокого напряжения до безопасного уровня использования.

Преобразование тока: Изменяя напряжение, трансформатор также соответственно изменяет ток. Согласно закону сохранения мощности, при увеличении напряжения ток уменьшается, и наоборот. Эта характеристика делает трансформаторы очень важными при передаче электроэнергии, поскольку они могут эффективно управлять токовой нагрузкой.

Преобразование импеданса. Трансформаторы могут изменять импеданс цепи, делая ее более подходящей для различных условий нагрузки. Это особенно важно в аудиооборудовании и других электронных устройствах, поскольку позволяет повысить эффективность передачи сигнала.

Изоляция: Трансформаторы могут обеспечить электрическую изоляцию, обеспечивая безопасность оборудования и пользователей. Такая изоляция может предотвратить повреждение низковольтного-оборудования высоким напряжением, обеспечивая безопасную работу оборудования.

Регулирование напряжения. Определенные типы трансформаторов (например, насыщающиеся реакторы) можно использовать для регулирования напряжения, помогая поддерживать стабильность напряжения и обеспечивая надежность и стабильность энергосистемы.

4.Классификация трансформаторов.

4.1Классификация по мощности

• Малый трансформатор: напряжение ниже 10 кВ, мощность от 1 до 500 кВА.

• Трансформаторы малой и средней-мощности: напряжением 35 кВ и ниже, мощностью от 630 до 6300 кВА.

• Крупногабаритные трансформаторы: напряжением 110 кВ и ниже, мощностью от 8000 до 63000 кВА.

4.2 Классификация по использованию

• Силовой трансформатор: используется для повышения, понижения, распределения и соединения в системах передачи и распределения электроэнергии или специально используется в качестве трансформаторов для электростанций и подстанций.

• Измерительные трансформаторы: такие как трансформаторы напряжения и трансформаторы тока, используемые в измерительных приборах и устройствах релейной защиты.

• Силовой трансформатор: используется для управления электропитанием, освещением и индикаторами общего механического оборудования.

• Электронный трансформатор: используется в электронных схемах, таких как импульсные-источники питания, аудио, импульсные и согласованные импедансы.

• Испытательный трансформатор: способен генерировать высокое напряжение для проведения высоковольтных испытаний электрооборудования.-

• Специальные трансформаторы: такие как электропечные трансформаторы, выпрямительные трансформаторы, трансформаторы регулирования напряжения и т. д.

4.3Классификация по числу фаз обмоток трансформатора

• Однофазный-трансформатор: используется для одно-фазных нагрузок и трех-фазных трансформаторных групп.

• Трех-трансформатор: используется для повышения или понижения напряжения в трех-фазных системах.

4.4 Классификация по способу охлаждения трансформатора

• Трансформатор сухого-типа: охлаждается за счет конвекции воздуха, обычно используется в трансформаторах небольшой-мощности, таких как местное освещение и электронные схемы.

• Масляный-трансформатор: трансформатор, в котором в качестве изолирующей и охлаждающей среды используется трансформаторное масло, при этом сердечник и обмотки полностью погружены в изолирующее масло.

4.5 Классификация по типу соединения обмоток трансформатора

• Трансформатор с двойной-обмоткой: используется для соединения двух уровней напряжения в энергосистеме.

• Трансформатор с тремя-обмотками: обычно используется на региональных подстанциях энергосистемы для подключения трех уровней напряжения.

• Автотрансформатор: Первичная и вторичная обмотки объединены в одну, используются для подключения энергосистем разного напряжения. Его также можно использовать в качестве обычного повышающего-повышающего или понижающего-трансформатора.

4.6 Классификация по рабочей частоте трансформатора

• Трансформатор силовой частоты: его рабочая частота составляет 50 Гц или 60 Гц.
• Трансформатор промежуточной частоты: его рабочая частота 400–1000 Гц.
• Трансформатор звуковой частоты: рабочая частота 20 Гц–20 кГц.

• Сверхзвуковой преобразователь частоты: его рабочая частота превышает 20 кГц, обычно не превышает 100 кГц.

• Высокочастотный-трансформатор: трансформатор с рабочей частотой от 20 Гц до более 100 кГц.

5. Сценарии применения трансформаторов.

5.1 Система питания

• Электростанции. Трансформаторы используются для повышения напряжения, вырабатываемого генераторами, для передачи в энергосистему, что позволяет передавать электроэнергию на-дальние расстояния.

• Подстанции. На подстанциях трансформаторы преобразуют электроэнергию высокого-напряжения в электроэнергию низкого-напряжения для удовлетворения потребностей различного электрооборудования. В то же время трансформаторы также могут выполнять такие функции, как компенсация реактивной мощности и регулировка напряжения, обеспечивая стабильную работу энергосистемы.

• Линии электропередачи. В линиях электропередачи используются трансформаторы для повышения напряжения и снижения потерь энергии, обеспечивая эффективную передачу электроэнергии на-дальние расстояния.

5.2Гражданский сектор

• Бытовая электроэнергия. Силовые трансформаторы преобразуют электроэнергию высокого-напряжения в электроэнергию низкого-напряжения, пригодную для домашнего использования, обеспечивая нормальное потребление электроэнергии жильцами.

• Зарядка аккумуляторов. Будь то ноутбук, телефон или электромобиль, для работы этих устройств требуются аккумуляторы, а для зарядки аккумуляторов требуется трансформатор. Основная функция трансформатора — регулирование напряжения и предотвращение прохождения через устройства токов утечки или импульсных токов.

5.3 Коммуникационная сфера

Трансформаторы связи применяются в цепях телефонных оконечных устройств и изделиях магистральных линий для регулирования качества и состояния цепей связи. Кроме того, коммуникационные трансформаторы широко используются в кабельных модемах, сетевых картах, концентраторах, оборудовании широкополосной связи xDSL, коммутаторах, оптоволоконных трансиверах, маршрутизаторах, встроенных системах и сетевых коммуникационных устройствах VoIP.

5.4Другие специальные приложения

• Аудиооборудование. Аудиотрансформаторы обычно используются для обеспечения изоляции сигналов, проходящих через цепь, и помогают согласовать значения импеданса источника и нагрузки. Они также могут устранять нежелательные или шумные сигналы и фильтровать входной сигнал. Трансформаторы этого типа специально разработаны для обработки сигналов в слышимом диапазоне, то есть сигналов с частотами от 20 Гц до 20 кГц.

• Измерительные приборы. Измерители тока, измерители напряжения и различные другие измерительные инструменты и устройства обычно используют трансформаторы для общих операций. Например, измерительные трансформаторы тока обеспечивают необходимую безопасность цепи, изолируя измерительное устройство от остальной части цепи и подавляя или понижая большие токи до оптимальных значений перед подачей их на амперметр.

• Выпрямление. Выпрямительные трансформаторы могут преобразовывать переменный ток в постоянный, что позволяет использовать его в таких приложениях, как управление двигателями, горнодобывающая промышленность, электропечи, научно-исследовательские лаборатории, передача постоянного тока высокого-напряжения и т. д.