Как работает трансформатор
Трансформатор состоит из стального сердечника (магнитопровода) и обмоток из медного или алюминиевого провода. Переменный ток первичной обмотки создаёт в сердечнике переменный магнитный поток. Этот поток пронизывает все обмотки и наводит в каждом витке одинаковую ЭДС. Поэтому напряжение обмотки пропорционально числу её витков: у вторичной обмотки с меньшим числом витков напряжение меньше, с большим больше. Электрической связи между обмотками нет, энергия передаётся только через магнитное поле.
ЭДС обмотки связана с потоком формулой E = 4,44 · f · w · Φm, где f частота, w число витков, Φm амплитуда потока. Отсюда главное свойство: при заданном напряжении и частоте поток в сердечнике задан, и он почти одинаков на холостом ходу и под нагрузкой. Когда нагрузка берёт ток, вторичная обмотка создаёт встречный поток, и первичная обмотка берёт из сети ровно столько тока, чтобы его компенсировать. Так трансформатор сам подстраивает потребление под нагрузку.
Коэффициент трансформации: формула и как измерить
k = U1 / U2 = w1 / w2 ≈ I2 / I1
Напряжения относятся как числа витков, токи обратно: если напряжение понижено в 18 раз, ток вторичной обмотки в 18 раз больше первичного. Мощность на входе и выходе почти одинакова, разница уходит в потери.
| Трансформатор | k по шильдику | Без нагрузки, при 220 В | Ток обмотки при 250 ВА |
|---|---|---|---|
| 220 / 12 В | 18,3 | 12,7-13,5 В | 1,14 А и 20,8 А |
| 220 / 24 В | 9,2 | 25-27 В | 1,14 А и 10,4 А |
| 220 / 36 В | 6,1 | 38-40 В | 1,14 А и 6,9 А |
| 220 / 110 В | 2 | 115-120 В | 1,14 А и 2,3 А |
| 220 / 220 В разделительный | 1 | 230-240 В | 1,14 А и 1,14 А |
Напряжение на шильдике указано под номинальной нагрузкой. Под током часть напряжения теряется на сопротивлении обмоток, у трансформаторов до 1 кВА это 5-10 %, поэтому без нагрузки вторичная обмотка показывает больше номинала. 13 В на новом трансформаторе 220/12 В это норма.
Коэффициент измеряют мультиметром на холостом ходу: подают на первичную обмотку сетевое напряжение и делят его на напряжение вторичной. Число витков неизвестного трансформатора находят так: поверх обмоток наматывают 10 витков любого изолированного провода, включают трансформатор и меряют напряжение на этой пробной обмотке. Если на 10 витках 2,5 В, то на один виток приходится 0,25 В, и в первичной обмотке 220 / 0,25 = 880 витков.
Почему трансформатор не работает на постоянном токе
ЭДС наводит только изменяющийся поток. Постоянный ток создаёт постоянный поток, и на вторичной обмотке напряжения нет. В первичной обмотке нет и встречной ЭДС, которая на переменном токе ограничивает ток холостого хода до долей ампера: остаётся только сопротивление провода, единицы или десятки ом. Поэтому 220 В постоянного на обмотке 220 В дают ток короткого замыкания, а даже 12 В постоянного перегружают её. По той же причине трансформатор нельзя подключать к аккумулятору, для этого нужен инвертор.
Холостой ход, ток намагничивания и потери
Без нагрузки трансформатор берёт из сети ток холостого хода. Почти весь он реактивный: намагничивает сердечник и отстаёт от напряжения на четверть периода. У трансформаторов до 1 кВА ток холостого хода 10-30 % номинального, у силовых трансформаторов подстанций 0,5-2 %. Активная часть идёт на потери в стали: перемагничивание и вихревые токи. Эти потери не зависят от нагрузки и идут всё время, пока трансформатор включён.
Под нагрузкой добавляются потери в меди, они растут с квадратом тока: при половинной нагрузке в 4 раза меньше, чем при номинальной. КПД максимален при нагрузке, когда потери в меди равны потерям в стали: β = √(P0 / Pк). У трансформаторов подстанций это 40-50 % номинала, потому что большую часть суток они загружены не полностью.
КПД = β·S·cos φ / (β·S·cos φ + P0 + β²·Pк)
где β доля номинальной нагрузки, S номинальная мощность, P0 потери холостого хода, Pк потери короткого замыкания. У маленьких трансформаторов на 50-250 ВА КПД 80-92 %, у силовых на 100-1000 кВА 98-99 %.
Опыт холостого хода и опыт короткого замыкания
Два классических опыта лабораторной работы по трансформатору дают все его параметры без нагрузки на полную мощность.
- Холостой ход. На первичную обмотку подают номинальное напряжение, вторичная разомкнута, к ней подключён только вольтметр. Меряют U1, U2, ток I0 и мощность P0 ваттметром. Получают коэффициент трансформации k = U1 / U2, ток холостого хода в процентах от номинального i0 = I0 / Iном × 100 %, потери в стали P0 и cos φ0 = P0 / (U1 · I0).
- Короткое замыкание. Вторичную обмотку замыкают через амперметр, первичную включают через ЛАТР и поднимают напряжение с нуля, пока ток не станет номинальным. Это напряжение в процентах от номинального и есть напряжение короткого замыкания uк. Мощность ваттметра равна потерям в меди Pк: сердечник при таком низком напряжении почти не намагничен.
По uк считают ток короткого замыкания за трансформатором: Iкз = Iном × 100 / uк. У трансформатора стенда uк около 8 %, ток КЗ в 12,5 раза больше номинального. У трансформатора подстанции 400 кВА uк 4,5 %: ток КЗ на шинах 0,4 кВ около 13 кА, и по нему проверяют автоматы и кабели.
Автотрансформатор: устройство и принцип работы
У автотрансформатора одна обмотка. Вход подключают к её концу и отводу, выход снимают с другого отвода. Часть витков общая для входа и выхода, и по ней течёт только разность токов. Поэтому провод общей части можно брать тоньше, а часть мощности вообще не проходит через магнитное поле, а идёт по проводу напрямую. Через сердечник передаётся только типовая мощность:
Sтип = S · (1 − Uниз / Uвыс)
При 220 → 180 В это 18 % мощности нагрузки, при 220 → 12 В уже 95 %, и выигрыша почти нет. Поэтому автотрансформатор выгоден, когда напряжение меняют ненамного: в стабилизаторах напряжения, где его поправляют на 10-30 %, в стенде стабилизатора это видно на каждом типе. Кроме того, автотрансформаторы стоят в ЛАТРах, для пуска мощных двигателей пониженным напряжением и на подстанциях 220/110 кВ и 500/220 кВ, где связывают сети близких напряжений.
| Параметр | Трансформатор | Автотрансформатор |
|---|---|---|
| Связь входа и выхода | Только магнитная, выход не связан с сетью | Электрическая: выход соединён с сетью через обмотку |
| Размер, масса и цена | По полной мощности нагрузки | По типовой мощности, при близких напряжениях в разы меньше |
| КПД | Высокий | Ещё выше: меньше меди и стали |
| Ток короткого замыкания на выходе | Ограничен uк | Больше: сопротивление короткого замыкания меньше |
| Безопасное напряжение 12-42 В | Да, если это безопасный разделительный трансформатор | Нельзя: на выходе может быть фаза |
| Где применяют | Блоки питания, понижающие и разделительные трансформаторы, подстанции 10/0,4 кВ | Стабилизаторы, ЛАТРы, пуск двигателей, связь сетей 110-500 кВ |
Почему автотрансформатор опасен на низком напряжении
12 В между выводами автотрансформатора не значат 12 В относительно земли. Если вилку вставить так, что фаза попадёт на общий вывод, оба выходных вывода окажутся под напряжением около 220 В относительно земли, хотя вольтметр между ними показывает 12 В. При обрыве обмотки между общим выводом и отводом выход остаётся соединён с фазой через оставшиеся витки: лампа не горит, а вольтметр и человек получают почти полное напряжение сети.
Поэтому сверхнизкое напряжение (не выше 50 В переменного тока) питают только от безопасного разделительного трансформатора или равноценного источника, у которого выход электрически отделён от сети: ПУЭ 1.7.73, определения в 1.7.43-1.7.45. В электропечах автотрансформаторы допускаются только как регулировочные, но не как понижающие: ПУЭ 7.5.61.
Разделительный трансформатор: когда защищает и когда нет
Разделительный трансформатор 220/220 В отделяет цепь от сети: вторичная обмотка не соединена ни с землёй, ни с нулём. Если человек коснётся одного провода, ток через него замыкаться некуда, и поражения нет. Так защищают розетку для бритвы в ванной: по ПУЭ 7.1.48 розетки в зоне 3 ванной квартиры подключают через разделительный трансформатор или УЗО на 30 мА.
Защита работает при трёх условиях из ПУЭ 1.7.85: как правило, одна отделённая цепь и один прибор; вторичная цепь не соединяется с заземлёнными частями и защитными проводниками; корпус прибора не присоединяют к PE. Касание двух выводов сразу опасно и с разделительным трансформатором, и УЗО перед трансформатором такой ток не видит: он не уходит в землю, а замыкается внутри вторичной цепи. Подробнее о путях тока через тело в уроке «Электробезопасность».
Силовые трансформаторы подстанций 10/0,4 кВ
Посёлки и дома питаются от трёхфазных трансформаторов 6 или 10 кВ на 0,4 кВ. Масляные ТМ с расширительным баком, герметичные ТМГ, полностью залитые маслом, и сухие ТСЛ и ТСЗ для установки в зданиях. На шильдике указаны мощность в кВА, напряжения обмоток, схема и группа соединения, напряжение короткого замыкания uк, потери холостого хода и короткого замыкания.
| Мощность | Ток на стороне 0,4 кВ | Потери холостого хода | Потери КЗ | uк |
|---|---|---|---|---|
| 100 кВА | 144 А | 0,27 кВт | 1,97 кВт | 4,5 % |
| 160 кВА | 231 А | 0,41 кВт | 2,6 кВт | 4,5 % |
| 250 кВА | 361 А | 0,55 кВт | 3,7 кВт | 4,5 % |
| 400 кВА | 577 А | 0,83 кВт | 5,4 кВт | 4,5 % |
| 630 кВА | 909 А | 1,05 кВт | 7,6 кВт | 5,5 % |
| 1000 кВА | 1443 А | 1,4 кВт | 10,8 кВт | 5,5 % |
Потери в таблице типовые для масляных трансформаторов 10/0,4 кВ, у конкретного трансформатора они в паспорте. Ток на стороне 0,4 кВ считают по формуле I = S / (√3 · 400 В).
Схема Y/Yн-0 (звезда, звезда с нулём) самая дешёвая и распространена в сельских сетях. Её недостаток в большом сопротивлении нулевой последовательности: при неравномерной нагрузке фаз напряжения перекашиваются сильнее, а ток однофазного короткого замыкания в конце линии меньше, и автомат отключает его медленнее. Схема Д/Ун-11 (треугольник, звезда с нулём) держит напряжения ровнее при перекосе и даёт больший ток однофазного КЗ, её выбирают для новых подстанций с однофазными потребителями. Как считать ток в нуле при перекосе, показывает калькулятор тока в нуле, чем перекос опасен для техники, разобрано в статье о перекосе фаз.
ПБВ, переключение без возбуждения, меняет число витков обмотки 10 кВ ступенями ±2 × 2,5 %. Положение I это +5 % витков и самое низкое напряжение 0,4 кВ, положение V это −5 % витков и самое высокое. Переключают его только на трансформаторе, отключённом с обеих сторон, обычно два раза в год, под зимнюю и летнюю нагрузку. На трансформаторах 35-110 кВ ставят РПН, регулирование под нагрузкой, оно меняет ступени автоматически.
Параллельно трансформаторы включают при одинаковой группе соединения, коэффициентах трансформации, отличающихся не больше чем на ±0,5 %, и напряжениях короткого замыкания, отличающихся не больше чем на ±10 %. Мощности при этом должны различаться не больше чем в 3 раза.
Как подключить понижающий трансформатор
- Найдите на шильдике или корпусе выводы первичной обмотки (220 В, иногда 0-220-380 В) и вторичной. Мультиметром проверьте: у первичной обмотки сопротивление больше, у низковольтной вторичной доли ома.
- Первичную обмотку подключите через автомат. Из-за броска тока при включении берут характеристику D или C с запасом по номиналу, ориентир 1,5 × номинальный ток первичной обмотки. Номинал подберёт калькулятор выбора автомата.
- На выходе поставьте предохранитель или автомат по номинальному току вторичной обмотки: он защищает обмотку от перегрузки, которую автомат на первичной стороне почти не видит.
- Сечение провода на стороне низкого напряжения считайте по потере напряжения, а не только по току: при 12 В и 20 А на 10 м провода 2,5 мм² теряется больше 2 В. Посчитать поможет калькулятор потерь напряжения.
- Корпус трансформатора с металлическим кожухом присоединяют к PE. Вторичную цепь разделительного трансформатора с землёй не соединяют.
- Перед включением проверьте, что сеть подключена к первичной обмотке, а не к вторичной. Первое включение без нагрузки: трансформатор должен ровно гудеть и оставаться чуть тёплым.
Какой автомат ставить перед трансформатором
В момент включения сердечник может на несколько миллисекунд уйти в насыщение, и ток в 10-20 раз больше номинального, даже без нагрузки. Насколько сильным будет бросок, зависит от момента включения на синусоиде и от остаточной намагниченности, поэтому автомат характеристики B то выдерживает включение, то выбивает. Для трансформаторов берут характеристику D (мгновенное срабатывание при 10-20 номиналах) или C с запасом по номиналу, для мощных трансформаторов ставят устройства плавного включения. Такой автомат защищает от короткого замыкания, а от перегрузки трансформатор защищает предохранитель на вторичной стороне или термопредохранитель в обмотке.
Как проверить трансформатор мультиметром и мегаомметром
- Сопротивление каждой обмотки: обрыв показывает бесконечность. Первичная обмотка маломощного трансформатора обычно от единиц до сотен ом, вторичная низковольтная доли ома.
- Сопротивление между обмотками и между обмоткой и корпусом: мультиметр должен показывать обрыв. Мегаомметром на 500 В у исправного трансформатора десятки и сотни МОм, меньше 0,5 МОм означает повреждённую изоляцию.
- Межвитковое замыкание мультиметр не видит. Его признаки: большой ток холостого хода, трансформатор без нагрузки сильно греется и гудит, напряжение вторичной обмотки ниже нормы.
- Коэффициент трансформации на холостом ходу сравните с шильдиком, учитывая, что без нагрузки напряжение на 5-10 % выше.
Частые вопросы
Можно ли включить трансформатор 220 В в сеть 380 В?
Нет, если у первичной обмотки нет отвода на 380 В. Поток в сердечнике вырастет в 1,73 раза, сталь уйдёт в глубокое насыщение, и ток холостого хода станет как при коротком замыкании. У многих трансформаторов ОСМ первичная обмотка с выводами 0-220-380 В: тогда 380 В подают на крайние выводы.
Почему трансформатор гудит?
Сталь сердечника при перемагничивании чуть меняет размеры, 100 раз в секунду: это и есть гул с частотой 100 Гц. Он громче при повышенном напряжении, перегрузке, ослабленной стяжке пластин. Если трансформатор без нагрузки гудит заметно громче обычного и греется, проверьте напряжение сети и нет ли межвиткового замыкания.
Подойдёт ли трансформатор 12 В для светодиодной ленты?
Нет. Лента рассчитана на постоянное напряжение, ей нужен блок питания 12 В постоянного тока. Обычный трансформатор выдаёт переменное, а без нагрузки ещё и около 13-14 В. Так называемый электронный трансформатор для галогенных ламп тоже не подходит: это импульсный преобразователь, который без минимальной нагрузки не запускается, а светодиоды с ним мигают.
Чем трансформатор отличается от автотрансформатора?
У трансформатора отдельные обмотки, связанные только магнитным полем, выход электрически отделён от сети. У автотрансформатора одна обмотка с отводами: он меньше и дешевле при близких напряжениях входа и выхода, но выход соединён с сетью. Для безопасного низкого напряжения нужен только трансформатор.
Можно ли использовать ЛАТР вместо стабилизатора?
Нет. ЛАТР выставляют вручную: если вечером подняли выход с 180 до 220 В, а ночью сеть вернулась к 240 В, на выходе будет почти 290 В. Стабилизатор делает то же самое автоматически и отключает нагрузку при аварии.
Кто переключает ПБВ, если в посёлке низкое напряжение?
Электросетевая организация, которой принадлежит подстанция. Жители пишут жалобу с замерами напряжения утром и вечером. Если ступени ПБВ не хватает или при её переключении у первых домов ночью становится выше 253 В, нужна реконструкция линии: больше сечение, короче линия или вторая подстанция.
Можно ли подключить трансформатор 50 Гц к сети 60 Гц и наоборот?
Трансформатор на 50 Гц в сети 60 Гц работает: поток при той же ЭДС меньше. Трансформатор на 60 Гц в сети 50 Гц при номинальном напряжении получает поток на 20 % больше расчётного, сталь насыщается, ток холостого хода и нагрев растут. Его включают на напряжение, уменьшенное в той же пропорции.