Разделительный трансформатор: конструкция, принцип действия, технические характеристики

Содержание

Принцип действия устройства

Функционирование разделительного понижающего трансформатора низкого напряжения основано на эффекте гальванической развязки. Технически, это реализовано в виде автономного функционирования обеих катушек. Катушки устройства разделены физически, то есть не соприкасаются между собой.

Это обеспечивает безопасную эксплуатацию при условии, что контуры не будут закорочены в результате механического воздействия. Чтобы полностью исключить возможность контакта обмотки изолируют несколькими слоями высококачественной изоляции.

Схема разделительного трансформатора.

Проходя через первичную обмотку, ток индуцирует электроэнергию во вторичной катушке, к которой и подключаются цепи с потребляющим оборудованием. Вторичная обмотка РТ или устройства к ней присоединенные не могут иметь контакта с землей или нейтралью.

Будет интересно Что такое трансформаторная подстанция

Значительное повышение безопасности эксплуатации даже при возникновении пробоя на корпусе. При такой схеме пробой не станет причиной перегрузки цепи по току, а само устройство останется полностью функциональным.

При контакте человека с электроприбором под аварийным напряжением, подключенным через разделительный трансформатор, не произойдет фатального поражения током утечки. Так как он не превысит опасного для жизни уровня.

Одной из эксплуатационных особенностей разделительных трансформаторов напряжения является коэффициент преобразования равный единице у большинства используемых моделей. Таким образом, как входное, так и выходное напряжение равно одной и той же величине – 220 или 380 В.

При расчетах необходимо учитывать затраты энергии на функционирование устройства, так как КПД большинства моделей находится в диапазоне 70-85%.

Типы трансформаторов

От номинального значения тока в первичном и вторичном контуре зависит классификация трансформаторов. В распространенных видах показатель находится в пределах 1-5 А.

Разделительный агрегат не предусматривает связь обеих спиралей. Оборудование обеспечивает гальваническую развязку, т. е. передачу импульса бесконтактным способом

Без нее протекающий между цепями ток ограничивается только сопротивлением, которое не принимается во внимание из-за малого значения

Согласующий трансформатор обеспечивает согласование различных показателей сопротивления для минимизации искажения формы импульса на выходе. Служит для организации гальванической развязки.

Прежде чем выяснить, какие бывают трансформаторы силового направления, отмечают, что их выпускают для работы с сетями большой мощности. Приборы переменного тока изменяют показатели энергии в приемных установках и работают в местах с большой пропускной способностью и скоростью изменения электроэнергии.

Вращающий трансформатор не следует путать с вращающимся оборудованием — машиной для преобразования угла поворота в напряжение цепи, где эффективность зависит от частоты вращения. Прибор передает электроимпульс на подвижные части техники, например на головку видеомагнитофона. Двойной сердечник с отдельными обмотками, одна из которых поворачивается вокруг другой.

Масляный агрегат использует охлаждение катушек специальным трансформаторным маслом. Имеют магнитопровод замкнутого типа. В отличие от воздушных видов могут взаимодействовать с сетями большой мощности.

Сварочные трансформаторы для оптимизации работы оборудования, понижения напряжения и создания тока высокой частоты. Это происходит из-за изменения индуктивного сопротивления или показателей холостого хода. Ступенчатое регулирование выполняется компоновкой электрообмотки на проводниках.

Устройство и принцип действия силовых трансформаторов

Что такое коэффициент трансформации трансформатора?

Трансформаторы тока: устройство, принцип действия и типы

Как подключить понижающий трансформатор с 220 на 12 вольт?

Как сделать катушку Тесла своими руками?

Преобразователи напряжения с 12 на 220 вольт

Как устройство защищает электроприборы

Наши жилища наполнены бытовой техникой и аппаратурой, которые подключены к электросети. Сами по себе электроприборы безопасны в обращении, что обеспечено производителями еще при их изготовлении и гарантируется соответствующими сертификатами качества.

Однако ряд неблагоприятных факторов, воздействующих на приборы и сетевую проводку в каждом отдельном помещении, способен ухудшить их изоляцию и создать условия для прохождения тока через человеческое тело, что приведет к электротравме. К таким факторам относятся:

высокая температура;
влажность в воздухе и в местах прохождения проводки;
наличие металлоизделий с неустойчивым заземлением;
механические повреждения изоляции.

Компактный разделительный трансформатор.

При утечке электротока напряжение появляется на металлических поверхностях не только самих приборов, но и на трубопроводах или на других металлических предметах, окружающих пользователя.

Наиболее высока вероятность поражения током в ванной. Поскольку в ней присутствуют все негативные факторы воздействия на изоляцию.

Поражений от электрического тока удается избежать применением защитных мер. Это надежное заземление корпусов электроприборов, чтобы в случае случайных пробоев изоляции опасные токи проходили через цепи заземления.

Также защищаются использованием УЗО или дифференциальных автоматов во входных цепях подключения нагрузки, отключающих сеть в случае возникновения утечек на землю.

Такие меры защиты основаны на том, что земля для всех потребителей электроэнергии является частью электрической цепи. Защитное электрическое заземление просто шунтирует контур, который может возникнуть между фазой, случайно попавшей на корпус электрооборудования и землей через человеческое тело при случайном соприкосновении.

Другим способом защиты будет исключить связь земли с электрической сетью и достичь этого удается путем полной гальванической развязки первичных и вторичных электрических сетей. Добиваются этого путем применения безопасных разделительных трансформаторов, устройства которых коснемся ниже.

Специфика некоторых бытовых приборов типа стиральной машины или фена требует постоянного их подключения к энергосети в условиях повышенной влажности, что повышает степень риска поражения током от неисправного прибора или пробитой проводки.

Случайные прикосновения к проводящим фазам и к нулевому проводу приведут к трагическим последствиям. Напряжение 220 В из питающей энергосети формируется по схеме соединения всех трех цепей при разности потенциала 380 В между ними с нулевым проводом, который соединен (заземлен, как принято говорить в обиходе) с потенциалом в землю.

Схема подключения разделительного трансформатора и приборов к нему.

Такая схема предопределяет наличие фазного напряжения между каждым из трех сетевых линейных проводов (в просторечии именуемых фазами) и нулевым (нейтральным) — землей. При нарушенной изоляции проводника фазное напряжение переходит на корпус бытового прибора.

Одновременное касание пользователем такого «пробитого» корпуса и заземленных металлических предметов типа батарей отопления, смесителя или водопроводного крана провоцирует прохождение электротока через человеческий организм со всеми травматическими последствиями.

Конструкция и принцип действия

Устройство всех типов (за исключением электронных трансформаторов) мало чем отличается. Главными рабочими элементами понижающих аппаратов являются магнитопроводы и катушки. Различия наблюдаются в конфигурации сердечников и в способах соединения обмоток.

Рис. 1. Схематичное изображение понижающего устройства

Геометрические формы ферромагнетиков производитель выбирает исходя из целесообразности производства. Тип остова существенно не влияет на трансформацию. Критерии преобразования тока больше зависят от состава ферромагнетика и параметров обмоток.

Магнитная система понижающего трансформатора может иметь разные формы, определяемые способом расположения стержней:

плоскую;
пространственную;
симметрическую форму;
несимметрическую.

Немного истории

Благодаря английскому физику Майклу Фарадею в 1831 году человечество познакомилось с электромагнитной индукцией. Великому учёному не суждено было стать изобретателем трансформатора, поскольку в его опытах фигурировал постоянный ток. Прообразом устройства можно считать необычную индукционную катушку француза Г. Румкорфа, которая была представлена учёному миру в 1848-м.

В 1876 году русский электротехник П. Н. Яблочков запатентовал трансформатор переменного тока с разомкнутым сердечником. Современному виду устройство обязано англичанам братьям Гопкинсон, а также румынами К. Циперановскому и О. Блати. С их помощью конструкция приобрела замкнутый магнитопровод и сохранила схему до наших дней.

Виды магнитопроводов

Характеристики устройства

По своей сути разделительный трансформатор напоминает понижающий трансформатор обыкновенного электрического прибора, состоящий из первичной и одной (нескольких) вторичных обмоток. Витки первичных обмоток таких трансформаторов отделяются гальванической изоляцией от вторичных, правда, при возникновении аварийных ситуаций, например при перегреве, разрушении изоляции или замыкании обмоток не исключалась появление фазы во вторичных цепях. Основные характеристики разделительных трансформаторов приведены на рисунке ниже.

Основные технические характеристики разделительных трансформаторов.

Разделительные трансформаторы имеют коэффициент трансформации равный единице, обеспечиваемый идентичными по параметрам обмотками. А его главной особенностью является надежное гальваническое разделение обмоток.

Реализовано это применением усиленной или двойной изоляции, наиболее надежным вариантом считают развязку первичной и вторичной обмоток посредством намотки на разных катушках, смонтированных на едином магнитопроводе. КПД разделительных трансформаторов приближается к 85%, но это достойная плата за электробезопасность, недаром такие устройства называют трансформаторами безопасности.

Вероятность пострадать от вторичных напряжений в сети, работающей от разделительного трансформатора, минимизируется. Конечно же, опасность поражения электрическим током сохраняется в случае прикосновения к обоим проводам сети (понятие ноль или фаза в данной цепи неприменимы), но каждый в отдельности по отношению к земле нейтрален и поэтому опасности для жизни человека не представляет.

Промышленный разделительный трансформатор в корпусе представляет собой законченную щитовую конструкцию с трансформатором (или несколькими трансформаторами), рубильником по входу, автоматами защиты, с индикацией сети, с клеммной колодкой для подсоединения кабеля.

Гальваническая развязка, создаваемая РТ между входящей силовой системой и цепью потребительской нагрузки, обеспечивает надежную защиту для пользователей в быту и обслуживающего персонала на производстве. В модельный ряд входят в качестве базовых конструкций:

трансформатор однофазный разделительный;
трансформатор трехфазный сухой разделительный.

Какую модель выбрать для установки у себя в квартире или в отдельно стоящей постройке, уже выбирает владелец жилья в соответствии с рекомендациями специалистов. Трансформаторы выпускаются на различные виды напряжения. В числе прочих наиболее часто встречаются типовые комбинации:

разделительный трансформатор входное 380/220В – выходное 380/220В
разделительный трансформатор входное 380/220В – выходное 220/127В
разделительный трансформатор входное 220В – выходное 220В
разделительный трансформатор входное 220В – выходное 36В
разделительный трансформатор входное 220В – выходное 24В
разделительный трансформатор входное 220В – выходное 12В

В таблице 1 и 2 приведены основные характеристики трехфазных разделительных трансформаторов 380/380В и 380/220В и однофазных разделительных трансформаторов 220-220В.

Таблица 1. Основные характеристики трехфазных разделительных трансформаторов 380/380В и 380/220В.

Таблица 2. Характеристики однофазных разделительных трансформаторов 220-220В.

Схемы включения обмоток для трехфазных трансформаторов в комбинациях вход/выход:

звезда
треугольник
зигзаг

В процессе эксплуатации трансформатора может возникнуть ситуация срабатывания термовыключателя при превышении температуры трансформатора выше 125 градусов С. В этом случае трансформатор выключается. Данная ситуация может произойти при перегрузке трансформатора или превышении входного напряжения сети. При правильной эксплуатации трансформатор возобновляет работоспособность примерно через 20 мин.

Схемы подключения температурного реле

Система контроля температуры сухих преобразователей напряжения на всех трех фазах и в нескольких точках сердечника реализована автоматическим образом на базе подключения теплового реле типа РТ 100, соединённого посредством температурных датчиков с точками замера температуры действующего оборудования.

Тепловое реле располагается на корпусе энерго установки в удобном для обслуживания и снятия показателей месте корпуса на универсальную DIN-рейку.

Схема подключения к трансформатору контактных частей теплового релейного контроля приводится ниже.

Рисунок 5. Тепловое реле РТ 100

Лимит максимальных и минимальных порогов срабатывания на сигнализацию аварии или режима отключения силового устройства допускается устанавливать силами обслуживающего персонала, но он не должен превышать допустимых значений в 140-150 С для стандартно класса стойкости изоляции и выше для более усиленных. В Табл. 6 эти характеристики расписаны по каждому классу в деталях.

Реле подключается к питанию через модульную дифференциальную защиту, а также связана своими контактами с катушками питания вентиляторов охлаждения определенных участков оборудования сухого типа, при срабатывании РТ 100 которые начинают принудительный обдув этих областей устройства.

Виды трансформаторов

В зависимости от области применения, материалов обмотки и количества фаз трансформаторы могут быть:

Трансформатор, первичная обмотка которого непосредственно подключена к источнику тока, а во вторичную обмотку включаются измерительные приборы (эл.счётчик), называется трансформатором тока (ТТ). Это устройство, которое используется в различных релейных и измерительных цепях.
Импульсный трансформатор преобразует полученные сигналы и передает прямоугольный электрический импульс. Чаще всего применяется в технике, где вч помехи через кабель питания нарушают работу или ведут к нарушению строчной развертки (используется до 100 кВА).
Для преобразования синусоидального напряжения в устройствах с оцифровкой ts используется пик-транcформатор (большой известностью пользуется продукция L >В свою очередь разделительные трансформаторы также бывают разные. Допустим, все медицинские учреждения оснащены устройством, которое отвечает за электроснабжение для операционных, реанимационных и прочих отделений. Этот прибор называется индивидуальным медицинским разделительным трансформатором для it-системы, и работает в пределах напряжений 220 /220 В. Очень популярные модели, производства компании Allintext, одного из лидеров мировой электрической промышленности, а из отечественных производителей ОСО Электра.

Ключевой особенностью этих приборов является полное отсутствие связи гальванической развязки с нейтралью и фазой, благодаря чему предотвращается поражение электрическим током пациентов и работников мед. учреждений. При желании можно присоединить специальный командный блок, который будет на расстоянии управлять процессом при помощи алгоритмов и программ.

Для бытовых нужд чаще всего применяется повышающий разделительный трансформатор. Он может быть силовым, бытовым или промышленным; в зависимости от области применения максимально допустимое напряжение будет варьироваться в пределах 380 /220 В. Его производят однофазным и трехфазным. Размер трансформатора можно уменьшить, если увеличить частоту переменного тока. В быту применяется для подключения газовых котлов или прочего отопительного оборудования.

Часто применяются разделительные трансформаторы встроенные и специального назначения. Тип подключения определяется степенью безопасности модели и требованиям во время работы. Такие устройства работают с номинальным первичным напряжением, не превышающим 1000 В переменного тока и 1000 В пульсирующего постоянного тока, номинальной частотой не выше 50 Гц.

Видео: Просто о сложном. Трансформатор. Принцип работы и советы конструкторам

В основе такого устройства, как трансформатор разделительный, лежит так называемый ТС ( трансформатор унифицированный). Так как современные бытовые электрические приборы бывают различной энергоёмкости и мощности, унифицированные трансформаторы также берут с расчетом на самые разные типы нагрузки и величины мощности нагрузки.

Эффект разделения и отсутствия электрической связи ( что приводит к так называемой гальванической развязке по напряжению, которое питает прибор, и по напряжению, которое подается от линий электрического снабжения) достигается весьма просто. Разделительный трансформатор имеет в своей конструкции две обмотки – вторичную и первичную. Между ними устанавливается усиленная ( не менее чем двойная) изоляция или металлический заземленный кран, который позволяет гарантировать избежание пробоя. Так как разделительный трансформатор не предназначен для преобразования напряжения, то его коэффициент трансформации обычно равен единице. При этом напряжение на входе будет отличаться от напряжения на выходе.

Однако в чем тогда смысл использования такого трансформатора? Это легко продемонстрировать на примере, если во влажном месте, например, в ванной комнате есть электроточка без гальванической развязки. В случае, если в такую точку попадет влага, произойдет пробой изоляции. Как следствие, некоторый участок стены и незаземленные электроприборы рядом с ним попадут под воздействие напряжения.

Если будет пробой изоляции и при разделительном трансформаторе, то та же часть стены тоже может оказаться под напряжением, однако в этом случае ток будет самый минимальный. А если пробоя изоляции нет, расчет такого устройства, как разделительный трансформатор, выбран правильно, то тока или напряжения не будет вообще.

Конструкция и принцип работы

Конструктивное устройство такого аппарата сходно с обычным масляным агрегатом. Трансформатор состоит из следующих основных узлов:

Конструкция сухого трансформатора

магнитопровода (кольцевидной, стержневой или броневой конструкции) – выступающего в роли передачи электродвижущей силы между обмотками на входе и выходе. Для его изготовления обычно применяется шихтованная, ленточная или пластинчатая сталь;
Виды магнитопроводов
обмоток – через них протекает электрический ток и формируется электромагнитное воздействие;
Обмотки сухого трансформатора
изоляции обмоток – чтобы отделить токоведущие части друг от друга и окружающих объектов;
соединительных элементов – стяжек, болтов, рам распорок и прочих вспомогательных деталей;
корпуса, внутри которого находятся основные узлы;
Корпус
изоляторов – для подсоединения контактов к агрегату.

Принцип работы основан на выработке электрического тока во вторичной обмотке за счёт наведённой ЭДС на первичной катушке после подачи на неё напряжения, с преобразованием характеристик за счёт разницы количества витков на входе и выходе.

Преимущества и недостатки

По сравнению с масляными, сухие трансформаторы обладают следующими преимуществами:

экологической безопасностью – для их эксплуатации не предполагается использование токсичных веществ с последующей необходимостью их утилизации. Это значительно снижает негативное воздействие на окружающую среду,
простотой в обслуживании – не требуется постоянная замена и доливка масла, контроль герметичности узлов,
безопасностью в эксплуатации – у таких аппаратов значительно ниже пожарная опасность и риск возгорания, исключена угроза температурного расширения масла с возможным взрывом,
простотой конструкции – это удешевляет производство и обеспечивает надёжность в работе,
небольшим весом – что особенно актуально для агрегатов значительной мощности по причине того, что не используется жидкий диэлектрик.

Популярные статьи Переполюсовка

Сравнение масляных, сухих и воздушного трансформаторов

Сравнение масляных и сухих трансформаторов

Экономическая выгода сухого трансформатора Недостатки связаны со сравнительно большими габаритами. Для мощных машин возникает необходимость значительного увеличения объёма корпуса, чтобы увеличить воздушный зазор для охлаждения.

Применение литой изоляции вызывает опасность механического разрушения при эксплуатации в условиях пониженных температур или резких температурных колебаний.

ВИДЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ

В зависимости от специфических функций, выполняемых трансформаторами, они подразделяются на несколько основных типов:

силовые, предназначенные для трансформации мощности;
измерительные, к которым относятся трансформаторы тока и напряжения;
разделительные, служащие для разделения электрических цепей.

Силовые трансформаторы используются на электрических станциях, в распределительных сетях и в точках потребления электроэнергии. Основная их функция — трансформирование передаваемой электрической энергии с одной ступени напряжения в другую.

Смысл смены ступеней напряжения заключается в том, что выработка, транспортировка и потребление электрической энергии происходит на разных уровнях напряжения.

Мощные турбогенераторы электрических станций вырабатывают электроэнергию напряжением 20 кВ. Передача энергии на большие расстояния осуществляется по воздушным линиям (ЛЭП), имеющим напряжение сотни киловольт — 110, 220, 500 кВ.

Более высокое напряжение (750 и 1150 кВ) применяется реже ввиду дороговизны оборудования и ряда технических сложностей. Повышение напряжения транспортировки электроэнергии позволяет снизить её потери.

Потребляется же большая часть электричества с напряжением 0,4 кВ. Максимальное напряжение конечных электрических устройств составляет не более нескольких киловольт. К таким устройствам относятся высоковольтные приводные двигатели мощных производственных механизмов, тяговые двигатели электровозов, питающихся от контактных электрических сетей.

Таким образом, электрическая энергия на своём пути от её производства до поступления к конечному потребителю несколько раз изменяет уровень напряжения. Эту работу выполняют силовые трансформаторы, установленные на электрических станциях и подстанциях распределительных сетей.

Измерительные трансформаторы используются в цепях измерения, защиты и контроля. Устройства этого типа осуществляют преобразование первичных значений тока и напряжения в пропорциональные им вторичные величины, необходимые для работы измерительных приборов, устройств защиты и автоматики.

Преобразование токовых величин осуществляется трансформаторами тока, для контроля уровня напряжения служат трансформаторы напряжения. Измерительные трансформаторы относятся к средствам измерений и подлежат периодической метрологической поверке, так же как все измерительные приборы.

Разделительные трансформаторы используются в тех случаях, когда необходимо обеспечить гальваническую развязку между отдельными участками электросетей.

Необходимость такого разделения может диктоваться требованиями электробезопасности. Например, таким способом осуществляется питание некоторых видов медицинского оборудования. В данном случае используется одно из основных свойств, присущих трансформатору — отсутствие гальванической связи между его обмотками.

* * *

ВИДЫ И КОНСТРУКЦИОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ

На данный момент в электротехнике большинство трансформаторов обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных цепей. Несмотря на то, что «классическое» определение разделительного трансформатора подразумевает неизменность величины трансформируемого параметра (напряжения) фактически все виды и типы являются разделительными.

В зависимости от назначения различают трансформаторы:

Тока.

Чаще всего используется для подключения цепей, на которые установлены измерительных, регистрирующих приборов (электросчетчики, амперметры) и защитных реле;

Импульсные.

Преобразует получаемый сигнал в прямоугольный импульс. Используется для предотвращения высокочастотных помех;

Силовые.

Конструкция, чаще всего, состоит из нескольких вторичных обмоток, преобразующих входящий электрический импульс с одной системой напряжения в несколько исходящих с другими параметрами системы напряжения;

Пик-трансформаторы.

Используются для преобразования синусоидальной составляющей напряжения. Основное назначение — предотвращение помех в цепях с аппаратурой для оцифровки.

Некоторые источники выделяют портативные разделительные преобразователи в отдельную категорию. Следует отметить, что габаритные размеры в техническом исполнении устройства различного типа не играют ключевой роли.

Разные виды разделительных трансформаторов могут быть как стационарными, так и портативными. Чаще всего портативные устройства имеют дополнительную защиту от внешнего воздействия и используются в экстремальных условиях эксплуатации, на открытой местности.

Автоматические трансформаторы не являются разделительными, так как в их конструкции реализован иной принцип расположения первичной и вторичной обмотки. Они соединяются в одну, что образует кроме электромагнитной, прямую электрическую связь.

Разрабатываются РТ узконаправленного использования. К примеру, для больниц и лабораторий.

Так называемые медицинские разделительные трансформаторы используются для обеспечения электроснабжение с точно определенными параметрами чувствительных приборов, установленных в реанимации, операционных различных биологических, химических и медицинских лабораториях.

Динамические характеристики

Устройства Torus Power обладают впечатляющими динамическими возможностями по мгновенной отдаче тока. Например, изолирующий трансформатор Torus Power с рабочей силой тока 20 А обладает выходным сопротивлением 0,2 Ом и при резком возрастании нагрузки способен выдать до 400 А. Сердечник трансформатора выступает в роли своеобразного накопителя, обеспечивающего дополнительную мощность в нужные моменты. Типичный усилитель общей мощностью 200 Вт требует 10 А тока, но на пике может потреблять больше, до 50 А. Обычная электрическая розетка не способна выдать 50 А тока. Изолирующий трансформатор Torus мощностью 20 А, подключенный в ту же самую розетку, обеспечит усилителю этот необходимый ток.