Трансформаторы однофазные

Однофазные трансформаторы: устройство, принцип действия, классификация и применение

Однофазный трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования величины переменного напряжения одной частоты при сохранении его формы и частоты. Принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции. Конструктивно трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода (сердечника), набранного из листов электротехнической стали, и двух или более обмоток, электрически изолированных друг от друга и от сердечника. Обмотка, подключенная к источнику переменного тока, называется первичной (W1), а обмотка, к которой подключается нагрузка, — вторичной (W2).

Принцип действия и основные соотношения

При подаче переменного напряжения U1 на первичную обмотку по ней протекает переменный ток I1, создающий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Этот поток, пронизывая витки вторичной обмотки, наводит в ней электродвижущую силу (ЭДС) E2. При замыкании вторичной цепи на нагрузку в ней возникает ток I2. Основным соотношением для трансформатора в режиме холостого хода (приближенно и под нагрузкой) является коэффициент трансформации: k = U1 / U2 ≈ W1 / W2. Если k > 1, трансформатор является понижающим, если k < 1 — повышающим. Мощность трансформатора измеряется в вольт-амперах (ВА) или киловольт-амперах (кВА), так как она представляет собой полную мощность. Для силовых трансформаторов номинальная мощность — это мощность на вторичной обмотке при номинальных параметрах.

Конструктивное исполнение

Конструкция однофазных трансформаторов различается по типу магнитопровода:

• Стержневой (броневой): Обмотки расположены на центральном стержне, охваченном с двух сторон ярмами. Характеризуется простотой изоляции и монтажа обмоток, но имеет больший расход стали и худшие условия охлаждения. Часто применяется в маломощных трансформаторах.
• Броневой: Магнитопровод как бы охватывает («бронирует») обмотку с двух сторон. Имеет лучшее магнитное экранирование обмоток, меньший расход меди, но более сложную конструкцию. Распространен в трансформаторах для электронных устройств.
• Тороидальный: Сердечник выполнен в виде кольца (тора). Обладает минимальными массогабаритными показателями, низким уровнем магнитного поля рассеяния и потерь холостого хода. Сложность — трудоемкость намотки.

Классификация и типы однофазных трансформаторов

Однофазные трансформаторы классифицируются по нескольким ключевым признакам:

• По назначению: Силовые (для передачи и распределения электроэнергии), измерительные (трансформаторы тока и напряжения), автотрансформаторы (электрически связанные обмотки), специальные (сварочные, разделительные, пиковые и др.).

По способу охлаждения: Масляные (обмотки погружены в трансформаторное масло, отвод тепла через радиаторы), сухие (с литой или воздушной изоляцией, охлаждение естественное или принудительное воздушное).

• По числу обмоток: Двухобмоточные, многообмоточные (с несколькими вторичными обмотками на разные напряжения).
• По классу напряжения: Низковольтные (до 1000 В) и высоковольтные.

Основные технические характеристики и параметры

При выборе трансформатора опираются на следующие параметры:

• Номинальная мощность, Sн (кВА).
• Номинальные напряжения первичной и вторичной обмоток, U1н / U2н (В, кВ).
• Номинальные токи обмоток, I1н / I2н (А).
• Частота питающей сети, f (Гц) — обычно 50 или 60 Гц.
• Схема и группа соединения обмоток (для однофазных — I/I-0).
• Напряжение короткого замыкания, Uкз (%) — важный параметр для расчета токов КЗ и определения параллельной работы.
• Потери холостого хода (Pхх, Вт) и короткого замыкания (Pкз, Вт).
• КПД (η, %).

Сравнительные характеристики сухих и масляных однофазных трансформаторов

Параметр	Сухой трансформатор (литая изоляция)	Масляный трансформатор
Пожаро- и взрывобезопасность	Высокая, может устанавливаться внутри помещений без ограничений.	Низкая, требует специальных мер (маслоприемники, ограждения).
Экологичность	Высокая, отсутствие жидкого диэлектрика.	Требуется утилизация масла, риск загрязнения.
Обслуживание	Практически не требует.	Регулярный контроль уровня и качества масла.
Стойкость к окружающей среде	Чувствителен к влажности и загрязнениям, требует защиты.	Лучшая защита обмоток от влаги и окисления.
Масса и габариты	Больше при одинаковой мощности.	Меньше, благодаря лучшим условиям охлаждения маслом.
Стоимость	Выше.	Ниже.
Типовое применение	Жилые и общественные здания, метро, горнодобывающие предприятия, объекты с высокими требованиями пожарной безопасности.	Подстанции на открытом воздухе или в отдельных помещениях, промышленные предприятия.

Области применения

Однофазные трансформаторы широко используются в различных сферах:

• Распределение электроэнергии: Конечные потребители в сельской местности, частные домовладения, небольшие торговые объекты часто питаются от однофазной сети. Однофазные трансформаторы 10(6)/0.4 кВ устанавливаются на столбах (столбовые трансформаторы) или в небольших киосковых подстанциях.
• Питание низковольтных сетей и цепей управления: Понижающие трансформаторы 220/12, 24, 36, 42 В для обеспечения безопасности в помещениях с повышенной опасностью, для питания систем освещения, цепей управления в промышленных щитах.
• Разделительные трансформаторы: Обмотки таких трансформаторов имеют гальваническую развязку и коэффициент трансформации 1:1. Их основная задача — повышение электробезопасности за счет устранения электрической связи цепи потребителя с первичной сетью и землей.
• Автотрансформаторы (ЛАТР): Используются для плавного регулирования напряжения в лабораторных условиях, в качестве пусковых устройств.
• Силовые преобразователи: В составе выпрямительных, инверторных и других преобразовательных установок.

Режимы работы и эксплуатационные аспекты

Важно различать основные режимы работы трансформатора:

• Режим холостого хода: Вторичная обмотка разомкнута. Потребляемый ток (Iхх) составляет 2-10% от номинального. В этом режиме определяются потери в стали (Pхх).
• Режим нагрузки: Нормальная работа под номинальной или иной нагрузкой. Характеризуется падением напряжения на обмотках, определяемым Uкз.
• Режим короткого замыкания: Вторичная обмотка замкнута накоротко. Используется для определения потерь в меди (Pкз). Эксплуатационный режим КЗ является аварийным и сопровождается током, в 10-20 раз превышающим номинальный.

При эксплуатации необходимо контролировать: температуру нагрева обмоток и сердечника, уровень и качество масла (для масляных трансформаторов), состояние изоляции (по величине сопротивления мегаомметром), отсутствие посторонних шумов (гудения, треска).

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем принципиально отличается однофазный трансформатор от трехфазного?

Однофазный трансформатор работает с однофазной переменной системой. Трехфазный трансформатор представляет собой три однофазных, объединенных на общем магнитопроводе (или три отдельных блока), и предназначен для преобразования трехфазной системы напряжений. Для получения трехфазной системы из однофазной требуется группа из трех однофазных трансформаторов, соединенных по определенной схеме (звезда, треугольник).

Как правильно выбрать мощность однофазного трансформатора?

Мощность выбирается исходя из суммарной полной мощности подключаемой нагрузки (кВА) с учетом коэффициента спроса и запаса на 15-25%. Важно учитывать характер нагрузки: для двигателей необходим учет пусковых токов, для выпрямительных нагрузок — наличие высших гармоник. Нельзя выбирать трансформатор исключительно по активной мощности (кВт), не учитывая коэффициент мощности (cos φ) нагрузки.

Что такое напряжение короткого замыкания и почему оно важно?

Напряжение короткого замыкания (Uкз) — это напряжение, которое необходимо подвести к первичной обмотке при замкнутой накоротко вторичной, чтобы в обмотках протекли номинальные токи. Выражается в процентах от номинального напряжения. Этот параметр определяет внутреннее сопротивление трансформатора, влияет на величину токов короткого замыкания в сети и на распределение нагрузки между трансформаторами, работающими параллельно. Для параллельной работы трансформаторы должны иметь одинаковые или очень близкие значения Uкз.

Можно ли подключить однофазный трансформатор к сети постоянного тока?

Нет, напрямую подключить нельзя. При подключении к постоянному току магнитный поток в сердечнике будет постоянным, ЭДС во вторичной обмотке наводиться не будет. Первичная обмотка, имея малое активное сопротивление, будет потреблять очень большой ток, что приведет к ее перегреву и выходу из строя за короткое время.

В чем преимущества и недостатки тороидальных трансформаторов?

Преимущества: Высокий КПД (до 95%), минимальные магнитные поля рассеяния и гудение, компактность и меньший вес при той же мощности, меньший нагрев.
Недостатки: Значительно более высокая стоимость из-за трудоемкости изготовления, сложность ремонта и перемотки, ограничения по максимальной мощности (как правило, до нескольких кВА).

Что такое трансформатор с раздельными обмотками и где он применяется?

Это трансформатор с коэффициентом трансформации 1:1, у которого первичная и вторичная обмотки гальванически развязаны. Основное назначение — обеспечение электробезопасности. При касании одного из проводов вторичной цепи и земли короткого замыкания не происходит, так как вторичная цепь не имеет связи с землей и первичной сетью. Обязателен к применению для питания электроинструмента и приборов в помещениях с повышенной опасностью (сырые, металлические).

Как проверить исправность однофазного трансформатора мультиметром?

1. Проверка обмоток на обрыв: Измерить сопротивление каждой обмотки. Оно должно быть небольшим (от долей Ома до сотен Ом в зависимости от мощности). Бесконечное сопротивление указывает на обрыв.
2. Проверка межвиткового замыкания: Точная диагностика требует измерения индуктивности или сравнения тока холостого хода с паспортным. Косвенный признак — сильный нагрев трансформатора в режиме ХХ.
3. Проверка изоляции: Мегаомметром на 1000 В измерить сопротивление изоляции между обмотками и между каждой обмоткой и корпусом (сердечником). Оно должно быть не менее 1 МОм (обычно десятки-сотни МОм).
4. Проверка под напряжением (с осторожностью): Подав номинальное напряжение на первичную обмотку в режиме ХХ, измерить напряжение на вторичной. Оно должно соответствовать ожидаемому (с учетом коэффициента трансформации).