Трансформатор напряжения (ТН) – это устройство, преобразует одну величину напряжения переменного тока в другую.
При этом преобразование может осуществляться как в сторону увеличения, так и уменьшения значений.
В данной статье мы рассмотрено их назначение, устройство и принцип действия.
Основное назначение трансформатора напряжения заключается в изменении величины переменного напряжения. Это может быть как повышение, так и понижение напряжения, в зависимости от конкретных требований электрической системы. Такая функция имеет огромное значение для эффективной работы всей энергосистемы.
Одно из основных применений ТН – это передача электроэнергии на большие расстояния. При передаче электроэнергии неизбежно возникают потери, связанные с нагревом проводов. Чтобы минимизировать эти потери, используется высокое напряжение.
На электростанциях напряжение повышают до сотен киловольт, что позволяет передавать энергию на большие расстояния с минимальными потерями.
Затем, уже вблизи потребителей, понижают напряжение до уровней, безопасных для использования в домах и на предприятиях.
Помимо этого, такие устройства широко используются в измерительных системах. Они позволяют подключать измерительные приборы к высоковольтным линиям, снижая напряжение до безопасного уровня. Это обеспечивает возможность контроля и мониторинга работы высоковольтных систем без риска для персонала и оборудования.
В промышленности они применяются для питания различного оборудования, требующего специфических уровней напряжения. Например, некоторые электропечи работают на пониженном напряжении.
В бытовой технике они используются в зарядных устройствах для мобильных телефонов, ноутбуков и других электронных устройств, преобразуя напряжение сети в необходимое для зарядки аккумуляторов. Кроме того, трансформаторы применяются в системах освещения, особенно в случае использования низковольтных светильников.
Еще одна важная функция – обеспечение гальванической развязки между цепями. Это особенно важно в медицинском оборудовании, помещениях повышенной влажности где необходима высокая степень электробезопасности.
Основными компонентами трансформатора являются магнитопровод (сердечник) и обмотки.
Рассмотрим каждый из этих элементов подробнее.
Магнитопровод обычно изготавливается из специальных магнитомягких материалов, таких как электротехническая сталь. Он служит для усиления магнитного поля и его концентрации.
Магнитопровод может иметь различную форму, наиболее распространенными являются конструкции:
В стержневом исполнении магнитопровод состоит из вертикальных стержней, на которые надеваются обмотки, и горизонтальных ярем, соединяющих стержни. Такая конструкция обеспечивает хорошее охлаждение обмоток и удобство их изготовления.
Броневой имеет магнитопровод, который как бы "бронирует" обмотки, окружая их со всех сторон. Это обеспечивает лучшую защиту обмоток от механических повреждений и уменьшает магнитное рассеяние.
Обмотки обычно изготавливаются из медного или алюминиевого провода. В трансформаторе есть как минимум две обмотки – первичная и вторичная. Первичная обмотка подключается к источнику переменного напряжения, а со вторичной обмотки снимается преобразованное напряжение.
Обмотки могут располагаться на магнитопроводе различными способами. В простейшем случае они наматываются одна поверх другой.
Это делается для улучшения охлаждения и уменьшения потерь на рассеяние.
Важным элементом конструкции является система охлаждения. В небольших трансформаторах достаточно естественного воздушного охлаждения.
Более мощные трансформаторы могут иметь масляное охлаждение, где обмотки и сердечник погружены в специальное масло. Масло не только отводит тепло, но и улучшает изоляцию.
Корпус служит для защиты внутренних компонентов от внешних воздействий. В масляных трансформаторах корпус также является резервуаром для масла. На корпусе обычно располагаются выводы обмоток и различные вспомогательные устройства, такие как указатели уровня масла, термометры и т.д.
В высоковольтных трансформаторах большое внимание уделяется изоляции. Используются специальные изоляционные материалы, такие как специальная бумага, пропитанная маслом. Между обмотками и между обмотками и корпусом создаются изоляционные промежутки, заполненные маслом или специальным диэлектриком.
Таким образом, устройство трансформатора представляет собой сложную систему, где каждый элемент играет важную роль в обеспечении эффективного и надежного преобразования.
Принцип действия трансформатора напряжения основан на фундаментальных законах электромагнетизма, в частности, на явлении электромагнитной индукции.
Когда на первичную обмотку трансформатора подается переменное напряжение, через нее начинает протекать переменный ток. Этот ток создает в магнитопроводе переменное магнитное поле. Поскольку магнитопровод изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью, магнитный поток концентрируется в нем и охватывает витки вторичной обмотки.
Согласно закону электромагнитной индукции, изменяющееся магнитное поле индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) в проводнике, находящемся в этом поле. В нашем случае, переменное магнитное поле, созданное током в первичной обмотке, индуцирует ЭДС во вторичной обмотке.
Величина индуцированной ЭДС зависит от скорости изменения магнитного потока и числа витков обмотки.
Поскольку магнитный поток изменяется с частотой питающего напряжения (обычно 50 или 60 Гц), во вторичной обмотке индуцируется переменная ЭДС той же частоты.
Важно отметить, что соотношение между напряжениями на первичной и вторичной обмотках равно соотношению числа витков этих обмоток.
Это соотношение называется коэффициентом трансформации. Если во вторичной обмотке больше витков, чем в первичной, напряжение на выходе будет выше, чем на входе (повышающий трансформатор). И наоборот, если витков меньше – понизится (понижающий).
Однако реальный трансформатор не является идеальным устройством. В нем происходят различные потери энергии. Основные виды потерь – это потери в меди (обмотках) и потери в стали (магнитопроводе).
Потери в меди связаны с нагревом проводников обмоток при прохождении через них тока. Эти потери пропорциональны квадрату тока и сопротивлению обмоток.
Потери в стали состоят из потерь на гистерезис и потерь на вихревые токи. Потери на гистерезис связаны с циклическим перемагничиванием материала магнитопровода. Вихревые токи возникают в массиве магнитопровода под действием переменного магнитного поля и также приводят к нагреву.
Для уменьшения потерь в стали магнитопровод изготавливают из тонких изолированных друг от друга пластин, а не из сплошного куска металла. Это значительно уменьшает вихревые токи. Кроме того, используются специальные марки стали с узкой петлей гистерезиса.
Постоянный ток не может создать изменяющегося магнитного поля, необходимого для индукции ЭДС во вторичной обмотке.
В некоторых случаях трансформаторы оснащаются устройствами регулирования напряжения.
Это может быть достигнуто путем изменения числа активных витков в одной из обмоток с помощью переключателя отпаек.
В более сложных системах используется автоматическое регулирование, которое поддерживает выходное напряжение на заданном уровне независимо от колебаний входного напряжения или нагрузки.
Подводя итог, если кратко, то принцип действия трансформатора основан на взаимодействии электрических и магнитных полей, что позволяет эффективно преобразовывать уровни напряжения в электрических системах.
Рекомендуемые материалы:
Электрические измерения. Схема измерения величин напряжения, силы тока, сопротивления.
* * *
Виды и типы систем освещения, ламп, светильников и их конструктивных исполнений
* * *
Источники электропитания: первичные, вторичные, бесперебойные и резервные
* * *
Газовый генератор для дома на природном баллонном и магистральном газе, преимущества и недостатки использования
* * *
Что называют системой электроснабжения, ее устройство, состав, виды и типы
* * *
Что такое силовой трансформатор напряжения, назначение, устройство и конструкция, принцип действия
* * *
© 2010-2025 г.г. Все права защищены.
Материалы, представленные на сайте, имеют ознакомительно-информационный характер и не могут использоваться в качестве руководящих документов