За счет чего работает трансформатор. Что такое трансформатор – это устройство, способное изменять напряжение переменного тока. Какие они, трансформаторы будущего

Добавить сайт в закладки

Как действует трансформатор?

Трансформатор - это статический (т. е. без движущихся ча­стей) электромагнитный аппарат однофазный или трехфазный, в котором явление взаимоиндукции используется для преобразо­вания электрической энергии. Трансформатор преобразует пере­менный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения.

Трансформатор имеет несколько электрических, изолированных одна от другой обмоток: однофазный - не менее двух, трехфазный - не менее шести.

Обмотки, соединенные с источником электроэнер­гии, именуются первичными; остальные обмотки, отдающие энергию во внешние цепи, называются вторичными. На рисунке внизу схематически показаны первичная и вторичная обмотки од­нофазного трансформатора; они снабжены общим замкнутым сердечником, собранным из листовой электротехнической стали.

Ферромагнитный сердечник служит для усиления магнитной связи между обмотками, т. е. для того, чтобы большая часть магнитного потока первичной обмотки сцеплялась с витками вторичной обмотки.На рис. справа показан сердечник и шесть обмоток трехфазного трансформатора. Эти обмотки соединяются по схеме звезды или треугольника.

Для улучшения условий охлаждения и изоляции трансформа­тор помещается в бак, заполненный минеральным маслом (про­дуктом перегонки нефти). Это так называемый масляный трансформатор.

При частоте переменного тока примерно свыше 20 кГц приме­нение стального сердечника в трансформаторах нецелесообразно из-за больших потерь в стали от гистерезиса и вихревых токов.

Для высоких частот применяются трансформаторы без фер­ромагнитных сердечников - воздушные трансформа­торы.

Если напряжение на зажимах первичной обмотки, первич­ное напряжение U1, меньше вторичного напряжения U 2, то транс­форматор называется повышающим. Если же первичное на­пряжение больше вторичного, то - понижающим (U1>U2). В соответствии с относительной величиной номинального напря­жения принято различать обмотку высшего на­пряжения (ВН) и обмотку низшего напряжения (НН).

Познакомимся кратко с работой однофазного двухобмоточного трансфор­матора со стальным сердеч­ником. Его рабочий процесс и электрические соотноше­ния можно считать харак­терными в основном для всех видов трансформато­ров.

Напряжение U1, приложенное к зажи­мам первичной обмотки, создает в этой обмотке пе­ременный ток i1.Ток воз­буждает в сердечнике транс­форматора переменный маг­нитный поток Ф. Вследствие периодического изменения этого потока в обеих обмотках трансформатора индуктируются ЭДС.

е1= - w1 (?ф: ?t) и e2= - w2 (?ф:?t), где

w1 и w2 - количество витков той и другой обмоток.

Таким образом, отношение ЭДЕ, индуктируемых в обмотках, равно отношению чисел витков этих обмоток:

е1: e2 = w1: w2

Это коэффициент трансформации трансформатора.

Коэффициент полезного действия трансформатора относи­тельно очень высок, в среднем порядка 98%, что позволяет при номинальной нагрузке считать приближенно одинаковыми первичную мощность, получаемую трансформатором, и вторичную мощность, им отдаваемую, т. е. p1 ? p2 или u1i1 ? u2i2, на основании чего

i1: i2? u2: u1? w 2: w 1

Это отношение мгновенных значений токов и напряжений справедливо и для амплитуд, и для действующих значений:

L1: l2? w 2: w 1?u2: u1,

т. е. отношение токов в обмотках трансформатора (при нагрузке, близкой к номинальной) можно считать обратным отношению напряжений и числу витков соответствующих обмоток. Чем меньше нагрузка, тем больше влияет ток холостого хода, и приведенное приближенное соотношение токов нарушается.

При работе трансформатора совершенно различна роль ЭДС в его первичной и вторичной обмотках. ЭДС, ей индуктируемая в первичной обмотке, возникает как противодействие цепи изменению в ней тока i1. По фазе эта ЭДС почти противоположна напряжению.

Как в цепи, содержащей индуктивность, ток в первичной о б м о тке трансформатора

i1=(u1 + e1) : r1,

где г 1 - активное сопротивление первичной обмотки.

Отсюда получаем уравнение для мгновенного значения первичного напряжения:

u1 = -e1 + i1r1 = w t(?ф: ?t) + i1r1,

которое можно прочитать как условие электрического равновесия: приложенное к зажимам первичной обмотки напряжение u1 всегда уравновешивается ЭДС и падением напряжения в активном сопротивлении обмотки (второй член относительно весьма мал).

Иные условия имеют место во вторичной цепи. Здесь ток i2 создается ЭДС e1, играющей роль ЭДС источника тока, и при активной нагрузке r/н во вторичной цепи этот ток

i2= l2: (r2 +r/н),

где r2- активное сопротивление вторичной обмотки.

В первом приближении воздействие вторичного тока i2 на первичную цепь трансформатора можно описать следующим образом.

Ток i2, проходя по вторичной обмотке, стремится создать в сердечнике трансформатора магнитный поток, определяемый намагничивающей силой (НС) i2w2. Согласно принципу Ленца, этот поток должен иметь направление, обратное направлению главного потока. Иначе можно сказать, что вторичный ток стре­мится ослабить индуктирующий его магнитный поток. Однако такое уменьшение главного магнитного потока Ф т нарушило бы электрическое равновесие:

u 1 = (-е 1) + i1r1,

так как e1 пропорционально магнитному потоку.

Создается пре­обладание первичного напряжения U1, поэтому одновременно с появлением вторичного тока увеличивается первичный ток, при­том настолько, чтобы компенсировать размагничивающее дей­ствие вторичного тока и, таким образом, сохранить электрическое равновесие. Следовательно, всякое изменение вторичного тока должно вызвать соответствующее изменение первичного тока, при этом ток вторичной обмотки, благодаря относительно малому значению составляющей i1r1, почти не влияет на амплитуду и характер изменений во времени главного магнитно­го потока трансформатора. Поэтому амплитуду этого по­тока Ф т можно считать практически постоянной. Такое постоян­ство Фт характерно для режима трансформатора, у которого поддерживается неизменным напряжение U1, приложенное к зажимам первичной обмотки.

Трансформаторами в электротехнике называют такие электротехнические устройства, в которых электрическая энергия переменного тока от одной неподвижной катушки из проводника передается другой неподвижной же катушке из проводника, не связанной с первой электрически.

Звеном, передающим энергию от одной катушки другой, является магнитный поток, сцепляющийся с обеими катушками и непрерывно меняющийся по величине и по направлению.

Принцип действия и устройство однофазного трансформатора

На рис. 1а изображен простейший трансформатор, состоящий из двух катушек I и II, расположенных коаксиально одна над другой. К катушке I подводится переменный ток от генератора переменного тока Г. Эта катушка называется первичной катушкой или первичной обмоткой. С катушкою II, называемой вторичной катушкой или вторичной обмоткой, соединяется цепь приемниками электрической энергии.

Принцип действия трансформатора

Действие трансформатора заключается в следующем. При прохождении тока в первичной катушке ею создается магнитное поле, силовые линии которого пронизывают не только создавшую их катушку, но частично и вторичную катушку. Примерная картина распределения силовых линий, создаваемых первичною катушкою, изображена на рисунке.

Как видно из рисунка, все силовые линии замыкаются вокруг проводников катушки, но часть их на рис. 1б силовые линии 1, 2, 3, 4 замыкаются также вокруг проводников катушки. Таким образом катушка I является магнитно связанной с катушкою II при посредстве магнитных силовых линий.

Степень магнитной связи катушек I и II, при коаксиальном расположении их, зависит от расстояния между ними: чем дальше катушки друг от друга, тем меньше магнитная связь между ними, ибо тем меньше силовых линий катушки I сцепляется с катушкою II.

Так как через катушку I проходит, как мы предполагаем, переменный ток, т. е. ток, меняющийся во времени по какому-то закону, например по закону синуса, то и магнитное поле, им создаваемое, также будет меняться во времени по тому же закону.

Например, когда ток в катушке I проходит через наибольшее значение, то и магнитный поток, им создаваемый, также проходит через наибольшее значение; когда ток в катушке I проходит через нуль, меняя свое направление, то и магнитный поток проходит через нуль, также меняя свое направление.

В результате изменения тока в катушке I обе катушки I и II пронизываются магнитным потоком, непрерывно меняющим свою величину и свое направление. Согласно основному закону электромагнитной индукции при всяком изменении пронизывающего катушку магнитного потока в катушке индуктируется переменная электродвижущая сила. В нашем случае в катушке I индуктируется электродвижущая сила самоиндукции, а в катушке II индуктируется электродвижущая сила взаимоиндукции.

Если концы катушки II соединить с цепью приемников электрической энергии (см. рис. 1а), то в этой цепи появится ток; следовательно приемники получат электрическую энергию. В то же время к катушке I от генератора направится энергия, почти равная энергии, отдаваемой в цепь катушкой II. Таким образом электрическая энергия от одной катушки будет передаваться в цепь второй катушки, совершенно не связанной с первой катушкой гальванически (металлически). Средством передачи энергии в этом случае является только переменный магнитный поток.

Изображенный на рис. 1а трансформатор весьма несовершенен, ибо между первичной катушкой I и вторичной катушкой II магнитная связь невелика.

Магнитная связь двух обмоток, вообще говоря, оценивается отношением магнитного потока, сцепляющегося с обеими обмотками, к потоку, создаваемому одной катушкой.

Из рис. 1б видно, что только часть силовых линий катушки I замыкается вокруг катушки II. Другая часть силовых линий (на рис. 1б - линии 6, 7, 8) замыкается только вокруг катушки I. Эти силовые линии в передаче электрической энергии от первой катушки ко второй совершенно не участвуют, они образуют так называемое поле рассеяния.

Для того чтобы увеличить магнитную связь между первичной и вторичной обмотками и одновременно уменьшить магнитное сопротивление для прохождения магнитного потока, обмотки технических трансформаторов располагают на совершенно замкнутых железных сердечниках.


Первым примером выполнения трансформаторов может служить схематически изображенный на рис. 2 однофазный трансформатор так называемого стержневого типа. У него первичные и вторичные катушки c1 и с2 расположены на железных стержнях а - а, соединенных с торцов железными же накладками b - b, называемыми ярмами. Таким образом два стержня а, а и два ярма b, b образуют замкнутое железное кольцо, в котором и проходит магнитный поток, сцепляющийся с первичной и вторичной обмотками. Это железное кольцо называется сердечником трансформатора.


Вторым примером выполнения трансформаторов может служить схематически изображенный на рис. 3 однофазный трансформатор так называемого броневого типа. У этого трансформатора первичные и вторичные обмотки с, состоящие каждая из ряда плоских катушек, расположены на сердечнике образуемом двумя стержнями двух железных колец а и б. Кольца а и б, окружая обмотки, покрывают их почти целиком как бы бронею, поэтому описываемый трансформатор и называется броневым. Магнитный поток, проходящий внутри обмоток с, разбивается на две равные части, замыкающиеся каждое в своем железном кольце.

Применением железных замкнутых магнитных цепей у трансформаторов добиваются значительного снижения потока рассеяния. У таких трансформаторов потоки, сцепляющиеся с первичною и вторичною обмотками, почти равны друг другу. Предполагая, что первичная и вторичная обмотки пронизываются одним и тем же магнитным потоком, мы можем на основании общего закола индукции для мгновенных значений электродвижущих сил обмоток написать выражения:


Выражениях w1 и w2 - числа витков первичной и вторичной обмоток, a dФt - величина изменения пронизывающего катушки магнитного потока за элемент времени dt, следовательно есть скорость изменения магнитного потока. Из последних выражений можно получить следующее отношение: e1/e2 = w1/w2

т. е. индиктируемые в первичной, и вторичной катушках I и II мгновенные электродвижущие силы относятся друг к другу так же, как числа витков катушек. Последнее заключение справедливо не только по отношению к мгновенным значениям электродвижущих сил, но и к их наибольшим и действующим значениям.

Электродвижущая сила, индуктируемая в первичной, катушке, будучи электродвижущей силой самоиндукции, почти целиком уравновешивает приложенное к той же катушке напряжение. Если через E1 и U1 обозначить действующие значения электродвижущей силы первичной катушки и приложенного к ней напряжения, то можно написать: Е1 = U1

Электродвижущая сила, индуктируемая во вторичной катушке, равна в рассматриваемом случае напряжению на концах этой катушки.

Если, аналогично предыдущему, через E2 и U2 обозначить действующие значения электродвижущей силы вторичной катушки и напряжения на ее концах, то можно написать: Е2 = U2

Следовательно, приложив к одной катушке трансформатора некоторое напряжение, можно на концах другой катушки получить любое напряжение, стоит только взять подходящее отношение между числами витков этих катушек. В этом и заключается основное свойство трансформатора.

Отношение числа витковпервичной обмотки к числу витков вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации трансформатора. Коэффициент трансформации мы будем обозначать kт.

Следовательно можно написать: Е1/Е2 = U1/U2 = w1/w2 = kт

Трансформатор, у которого коэффициент трансформации меньше единицы, называется повышающим трансформатором, ибо у него напряжение вторичной обмотки, или так называемое вторичное напряжение, больше напряжения первичной обмотки, или так называемого первичного напряжения. Трансформатор, у которого коэффициент трансформации больше единицы, называется понижающим трансформатором, ибо у него вторичное напряжение меньше первичного.


Работа однофазного трансформатора под нагрузкою

При холостой работе трансформатора магнитный поток создается током первичной обмотки или, вернее, магнитодвижущей силой первичной обмотки. Так как магнитная цепь трансформатора выполняется из железа и потому имеет небольшое магнитное сопротивление, а число витков первичной обмотки берется обычно большим, то ток холостой работы трансформатора невелик, он составляет 5-10% нормального.

Если замкнуть вторичную обмотку на какое-либо сопротивление, то с появлением тока во вторичной обмотке появится и магнитодвижущая сила этой обмотки.

Согласно закону Ленца магнитодвижущая сила вторичной обмотки действует против магнитодвижущей силы первичной обмотки

Казалось бы, что магнитный поток в этом случае должен уменьшаться, но если к первичной обмотке подведено постоянное по величине напряжение, то уменьшения магнитного потока почти не произойдет.

В самом деле, электродвижущая сила, индуктируемая в первичной обмотке, при нагрузке трансформатора почти равна приложенному напряжению. Эта электродвижущая сила пропорциональна магнитному потоку. Следовательно, если первичное напряжение постоянно по величине, то и электродвижущая сила при нагрузке должна остаться почти той же, какой она была при холостой работе трансформатора. Это обстоятельство имеет следствием почти полное постоянство магнитного потока при любой нагрузке.

Работа однофазного трансформатора под нагрузкоюИтак, при постоянном по величине первичном напряжении магнитный поток трансформатора почти не меняется с изменением нагрузки и может быть принят равным магнитному потоку при холостой работе.

Магнитный поток трансформатора может сохранить свою величину при нагрузке лишь потому, что с появлением тока во вторичной обмотке увеличивается и ток в первичной обмотке и при том настолько, что разность магнитодвижущих сил или ампервитков первичной и вторичной обмоток остается почти равной магнитодвижущей силе или ампервиткам при холостой работе. Таким образом появление во вторичной обмотке размагничивающей магнитодвижущей силы или ампервитков сопровождается автоматическим увеличением магнитодвижущей силы первичной обмотки.

Так как для создания магнитного потока трансформатора требуется, как было указано выше, небольшая магнитодвижущая сила, то можно сказать, что увеличение вторичной магнитодвижущей силы сопровождается почти таким же по величине увеличением первичной магнитодвижущей силы.

Следовательно, можно написать: I2w2 = I1w1

Из этого равенства получается вторая основная характеристика трансформатора, а именно, отношение: I1/I2 = w2/w1 = 1/kт, где kт - коэффициент трансформации.

Таким образом, отношение токов первичной и вторичной обмоток трансформатора равно единице, деленной на его коэффициент трансформации.

Итак, основные характеристики трансформатора заключаются в отношениях Е1/Е2 = w1/w2 = kт и I1/I2 = w2/w1 = 1/kт

Если перемножить левые части отношений между собой и правые части между собой, то получим I1E1/I2E2 = 1 и I1E1 = I2E2

Последнее равенство дает третью характеристику трансформатора, которую можно выразить словами так: отдаваемая вторичной обмоткой трансформатора мощность в вольт-амперах, почти равна мощности, подводимой к первичной обмотке также в вольт-амперах.

Если пренебречь потерями энергии в меди обмоток и в железе сердечника трансформатора, то можно сказать, что вся мощность, подводимая к первичной обмотке трансформатора от источника энергии, передается вторичной обмотке его, причем передатчиком служит магнитный поток.

Для того, чтобы в домашних условиях самостоятельно повысить эффективность работы многих устройств и напряжение в электрической сети, часто используются регулирующие устройства. Предлагаем, в связи с этим, рассмотреть принцип работы трансформатора тока понижающего, повышающего, импульсного, Тесла, а также автотрансформатора.

Принцип работы и классификация трансформаторов

Принцип работы измерительного трансформатора (как и разделительного), очень прост. Он подчиняется закону Фарадея электромагнитной индукции. На самом деле взаимная индукция между двумя или более обмотками отвечает за действия преобразования в электрическом трансформаторе.

В соответствии с этим, закон Фарадея гласит: «скорость изменения потокосцепления по времени прямо пропорциональна наведенной ЭДС в проводнике или катушки».

Основы теории трансформатора

Скажем, у нас трансформатор с одной обмоткой, которая соединена с переменным электрическим источником тока. Переменный ток через обмотку производит постоянно меняющийся поток, который окружает катушку. Если любая другая обмотка приближена к предыдущей, определенная часть потока соединяется с ней. Этот поток постоянно меняется в амплитуде и направлении, но в этих случаях должно происходить изменение потокосцепления во вторую обмотку или обмотки.

Согласно закону Фарадея электромагнитной индукции, должно быть ЭДС, которое индуцируется раз в секунду. Если цепь последней обмотки закрыта, то через неё должен проходить электрический ток. Это простейший принцип работы электрического силового или сварочного трансформатора и это основной принцип работы трансформатора.

Схема силового трансформатора

Всякий раз, когда мы используем движение переменного тока к электрической катушки, поток энергии окружает эту обмотку. Поток тока будет неравномерным, и скорость его постоянно изменяется. Естественно ЭКГ будет производиться в нем, как в законе Фарадея, где говорится о явлении электромагнитной индукции. Это наиболее фундаментальное понятие теории трансформатора

Обмотка, которая принимает электрическую мощность от источника, как правило, известна как первичная обмотка трансформатора.

Обмотка, что дает требуемое выходное напряжение из-за взаимной индукции в трансформаторе, называется вторичной обмоткой трансформатора.

Основные конструкционные части трансформатора

Существует три основные части трансформатора:

1. Первичная обмотка трансформатора – производит магнитный поток, когда подключена к электрическому источнику.
2. Магнитный сердечник трансформатора – магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, создает замкнутую магнитную цепь.
3. Вторичная обмотка трансформатора – намотана на сердечник.

Как работает силовой или сварочный трансформатор

Электрический силовой трансформатор является статическим устройством, которое преобразует электрическую энергию от одной схемы к другой без непосредственного соединения, с помощью взаимной индукции между своих обмоток. Он преобразует энергию от одной схемы к другой, не меняя свою частоту, но может работать в разных уровнях напряжения, например если сварщик поменял флюс, или произошел сбой генератора при сварке.


Трехфазный трансформатор

Работа однофазного трансформатора напряжения

Принцип работы однофазного трансформатора не слишком отличается от трехфазного понижающего прибора. Когда электрический ток проходит в первичной обмотке, она создает МП, у которого достаточно мощные силовые линии. Они пронизывают первичную катушку полностью, и вторичную частично. Все эти линии замкнуты вокруг проводников катушек, но их часть замкнута непосредственно на проводниках.

Видео: наглядный урок, который рассказывает о принципе работы трансформатора

Согласно закону о магнитной связи, чем ближе объекты друг к другу, тем сильнее эта связь, но чем они дальше расположены – тем она слабее, и так пока не станет нулевой. Это объясняется тем, что при расположении коаксиального типа, чем обмотки расположены дальше, тем меньше сцепление силовых линий и их проникновение в трансформаторные катушки.


Схема: однофазный трансформатор

Нужно понимать, что в однофазном трансформаторе сила магнитного поля также зависит от тока. Скачки переменного электрического тока могут значительно снизить силу МП, или наоборот. Это еще называется законом электродвижущей силы. Т.е. в первой обмотке производится самоиндукция, а во вторичной – взаимоиндукция.

Как только концы этих обмоток соединятся – устройство, которому необходимо получить результаты работы трансформатора, станет снабжаться электрическим током, принцип работы будет запущен, в определенной последовательности катушки начнут работать.

Работа автотрансформатора

Чаще всего в домашних условиях используется трансформатор не с двумя обмотками, а с одной. Рассмотрим принцип работы электронного автотрансформатора (вольтодобавочного трансформатора), и его характеристики. Данные устройства относятся к трансформаторам специального использования, т.к. их обмотка низкого напряжения у обычных трансформаторов, является обмоткой высокого напряжения, те они связаны между собой не только магнитным полем, но и гальваническим.


Схема: автотрансформатор

Переключая обмотки при желании можно получить либо высокое, либо низкое напряжение. Подключая источник переменного тока к сердечнику, мы получим переменное магнитное поле. И между точками сердечника возникнет, и будет усиливаться ЭДС. Благодаря тому, что сердечник выполнен особенным образом, в нем протекает очень малое количество тока, которое создает достаточно сильное МП. Т.е. при экономии материалов мы получаем разное по необходимости, напряжение.

Автотрансформаторы целесообразнее использовать в областях, где нужно совсем незначительное изменение напряжения и РПН, но на продолжительный отрезок времени. Это лаборатории, небольшие предприятия или домашние хозяйства.

Бывают еще и узкоспециализированные лабораторные трансформаторы, у них несколько иная схема:

Обмотка выполнена из специального ферромагнитного материала, которая сводит вероятность резонансного движения к минимуму. Основные отличия от обычного прибора – это:

  1. Кроме ферромагнетика они обмотаны медным проводом;
  2. Низкие допустимые параметры – максимальная мощность до 7 кВА;
  3. Здесь работает система строчного ролика – на поверхности трансформатора имеется дорожка, по которой передвигается контактирующий ролик или щетка.

Но у такого обмоточного трансформатора есть свои недостатки:

  • нужно изолировать вторичные и первичные цепи, т.к. они имеют достаточно сильную электрическую связь;
  • нельзя использовать дл защиты в мощных сетях, допустим предел от 6 до 10 кВ;
  • ремонт и содержание требует значительных вложений.

Работа гидротрансформатора

Каждый водитель бульдозера либо другой машины, знаком с принципом работы трансформатора АКПП или гидротрасформатора, но какое его назначение. На самом деле, данный прибор является модернизированной муфтой, которая вращается не один раз, а два, газовое оборудование требует установки даже нескольких таких приборов.

Его необходимо установить между двигателем и трансмиссией, чтобы получить вращательное движение, которое после перейдет на колеса. Внешне механизм напоминает бублик, за что и получил такое «прозвище» от автослесарей, но у нег достаточно сложная конструкция:

По краю с обеих сторон встроены насосы, а в центре установлен мини реактор. Последний прибор должен передавать жидкость (масло, к примеру), на турбинное колесо, которое в свою очередь распределяет её равномерно по всей поверхности трансформатора.

Переднее колесо жестко соединено с главным валом машинного двигателя, захватывая жидкость, передает её далее по механизму. Но реактор при необходимости блокирует это движение и выводит колесо из работы.

Помимо блокировки вращающегося момента, конструкция масляного трехобмоточного трансформатора позволяет ему выполнять функции демпфинирования. Т.е., если авто достигло своего предела, скажем, 80 км/час, то для предотвращения несчастного случая вращающийся момент начинает передаваться уже через демпфинирующие пружины. Таким образом, производится защита от холостого хода и резкой остановки двигателя.

Таким образом и можно объяснить принцип работы трансформатора, как видите, все очень похоже, но есть некоторые нюансы у разных моделей в зависимости от области применения и конструкции.

Трансформатор (от лат. transformare , изменить, преобразовать) представляет собой электромагнитное устройство, которое преобразует электрическую энергию от одной системы к другой при помощи электромагнитной индукции без изменения частоты, является неотъемлемой частью электрических систем. Трансформаторы могут быть самых разных размеров от малого, внутри электронного прибора, до огромных, используемых в электросетях, мощностью до нескольких мегаватт.

История

Закон электромагнитной индукции, на котором основана работа трансформатора, был открыт Фарадеем в 1831 году. В том же году Фарадей представил «кольцо индукции», первый прототип трансформатора. Он использовал его для демонстрации принципа электромагнитной индукции и не видел в нем практического применения.

Первая «индукционная катушка» была изобретена Николаем Иосифом Каллан в Ирландском национальном университете Мейнут в 1836 году. Каллан был одним из первых исследователей, который понял, что увеличение витков вторичной обмотки по отношению к количеству витков в основной обмотке увеличивает напряжение.

Между 1830 и 1870 годами исследования индукционных катушек, в основном методом проб и ошибок, позволили определить принципы работы трансформатора. В 1848 году французский инженер Г. Румкорф представил индукционную катушку особой конструкции, которая стала прообразом трансформатора. Устройства пригодного для практического применения не появлялось до 1880 года, но в течение следующих десяти лет трансформаторы сыграли важнейшую роль в развитии электричества.

В 1876 году российский инженер Павел Николаевич Яблочков изобрел систему освещения на основе набора катушек индуктивности. Первичная обмотка катушек подключалась к источнику питания переменного тока, а вторичная к нескольким лампам. Катушки, используемые в системе, работали по принципу трансформатора. В патенте указывалось «источник различных точек света с различной интенсивностью от одного источника питания».

В 1882 году в Лондоне Люсьен Галард и Джон Гиббс впервые представили «вторичный генератор» – устройство с металлическим сердечником, а затем продали идею американской компании Westinghouse Electric. Подобная система была разработана в Турине, Италия, где она использовалась в системах электрического освещения.

В 1883 году группа инженеров венгерской компании «Ganz & K» разработала и запустила в производство трансформатор с замкнутым магнитопроводом, который сыграл важную роль в дальнейшем развитии конструкций трансформаторов. Они использовались для производства осветительного оборудования в Австрии и Венгрии.

В конце 1880-х годов инженеры Westinghouse Electric разработали масляную систему охлаждения трансформатора. Основные элементы трансформатора помещались в емкости с маслом для охлаждения, что позволило существенно повысить эффективность изоляции обмоток. Эта же американская компания начала использовать трансформатор в коммерческих целях, что привело к дополнительному интересу к этому устройству множества ученых. В последующие 40 лет, устройство трансформатора неоднократно усовершенствовалось: изобретение трехфазного трансформатора, добавление кремния в состав используемых материалов и другие.

Принцип работы и основные элементы

Трансформатор представляет собой устройство, которое преобразует напряжение переменного тока определенного уровня в напряжение переменного тока другого уровня. Работа трансформатора основана на двух базовых принципах: электромагнетизм и электромагнитная индукция. Трансформатор, как правило, состоит из двух изолированных друг от друга катушек проводящего материала, намотанной на том же ядре. Ядро, как правило но из электротехнической стали – сплава оптимизирующего магнитный поток. На первичную обмотку подаётся напряжение от внешнего источника. Переменный ток в первичной обмотке создает магнитный поток. Этот поток будет вызывать электромагнитную индукцию, появление электродвижущей силы во вторичной обмотке. Напряжение во вторичной обмотке, непосредственно зависит от отношения количества витков к числу витков первичной обмотки.

Основными компонентами трансформатора являются: магнитопровод, обмотка, каркас обмотки, изоляция, система охлаждения, прочие вспомогательные элементы.

Магнитная система трансформатора(магнитопровод) изготовлена из кремнийсодержащих ферритных сплавов стали с высокой магнитной проницаемостью. Предназначается для локализации магнитного потока в пределах трансформатора. Конструкция может состоять из набора тонких пластин с изоляционным слоем между каждой, тонкой ленты, нескольких «подков» и др. Магнитная система в сочетании со всеми деталями необходимыми для скрепления всех узлов в единую конструкцию называется остовом трансформатора.

Обмотка – совокупность электрических проводников обернутых вокруг сердечника (витков) образующих электрическую цепь. Суммарный электрический ток каждого витка определяет суммарную электродвижущую силу трансформатора. Большее число витков вызывает более высокое напряжение. Обмотка трехфазного трансформатора представляет собой совокупность обмоток каждой из трех фаз соединенных между собой. В качестве материала, используемого в обмотке трансформатора с учетом его применения, используется проводящие металлы и сплавы.

Обычно используется проводящий элемент квадратного сечения (жила). Для более мощных трансформаторов, с целью улучшения функционирования обмотки, сечение жилы может быть разделено на несколько параллельных проводящих элементов. Каждая жила изолируется при помощи тонкой (несколько микрометров) промасленной бумаги или эмали.

Чтобы избежать избыточного нагрева и потерь в трансформаторе применяется система охлаждения. В низковольтных трансформаторах применяется «сухая» система охлаждения с применением изолирующих синтетических смол. В более высоковольтных трансформаторах для отвода избыточного тепла используется масло, как правило минеральное.

Основные виды трансформаторов

Силовой трансформатор используется для преобразования электроэнергии в электрических сетях. Название «силовой» подразумевает возможность работы с напряжением большой мощности. Их применение необходимо для доставки конечному потребителю электроэнергии необходимой мощности. Напряжение в линиях электропередач может достигать 750 кВ, тогда как напряжение требуемое для работы электроприборов в сети конечного потребления колеблется от 220 до 380 В. Для обеспечения работы применяется одна или несколько вторичных обмоток. Часто используется предохранитель предотвращающий возникновению пожара при перегреве трансформатора.

Автотрансформатор – вариант с последовательным соединением первичной и вторичной обмоток. За счет этого связь между обмотками не только электромагнитная, но и электрическая. Такой трансформатор меньше и дешевле, используется для преобразования напряжения с незначительной разницей между входящим и выходным. Имеет высокий КПД. Недостатком является отсутствие гальванической развязки между обмотками.

Трансформатор тока используется для снижения первичного тока источника до величины требуемой для защиты, измерения, сигнализации и др. Первичная обмотка подсоединяется в цепь переменного тока который необходимо измерить или защитить, а вторичная к измерительному прибору.

Трансформатор напряжения, по области применения, схож с трансформатором тока. Применяется для преобразования высокого напряжения в измерительных цепях. Также существуют: импульсные трансформаторы, разделительные, согласующие, пик-трансформатор, трансфлюксор.

Наша цель - свой ФабЛаб в Санкт-Петербурге!
Следите за новостями!

Продолжаем знакомство с электронными компонентами и в этой статье рассмотрим устройство и принцип работы трансформатора .

Трансформаторы нашли широкое применение в радио и электротехнике и применяются для передачи и распределения электрической энергии в сетях энергосистем, для питания схем радиоаппаратуры, в преобразовательных устройствах, качестве сварочных трансформаторов и т.п.

Трансформатор предназначен для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины.

В большинстве случаев трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода (сердечника) с расположенными на нем двумя (обмотками) электрически не связанных между собой. Магнитопровод изготавливают из ферромагнитного материала, а обмотки мотают медным изолированным проводом и размещают на магнитопроводе.

Одна обмотка подключается к источнику переменного тока и называется первичной (I), с другой обмотки снимается напряжение для питания нагрузки и обмотка называется вторичной (II). Схематичное устройство простого трансформатора с двумя обмотками показано на рисунке ниже.

1. Принцип работы трансформатора.

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции .

Если на первичную обмотку подать переменное напряжение U1 , то по виткам обмотки потечет переменный ток Io , который вокруг обмотки и в магнитопроводе создаст переменное магнитное поле . Магнитное поле образует магнитный поток Фo , который проходя по магнитопроводу пересекает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует (наводит) в них переменные ЭДС – е1 и е2 . И если к выводам вторичной обмотки подключить вольтметр, то он покажет наличие выходного напряжения U2 , которое будет приблизительно равно наведенной ЭДС е2 .

При подключении к вторичной обмотке нагрузки, например, лампы накаливания, в первичной обмотке возникает ток I1 , образующий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф1 изменяющийся с той же частотой, что и ток I1 . Под воздействием переменного магнитного потока в цепи вторичной обмотки возникает ток I2 , создающий в свою очередь противодействующий согласно закону Ленца магнитный поток Ф2 , стремящийся размагнитить порождающий его магнитный поток.

В результате размагничивающего действия потока Ф2 в магнитопроводе устанавливается магнитный поток Фo равный разности потоков Ф1 и Ф2 и являющийся частью потока Ф1 , т.е.

Результирующий магнитный поток Фo обеспечивает передачу магнитной энергии из первичной обмотки во вторичную и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу е2 , под воздействием которой во вторичной цепи течет ток I2 . Именно благодаря наличию магнитного потока Фo и существует ток I2 , который будет тем больше, чем больше Фo . Но и в то же время чем больше ток I2 , тем больше противодействующий поток Ф2 и, следовательно, меньше Фo .

Из сказанного следует, что при определенных значениях магнитного потока Ф1 и сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки устанавливаются соответствующие значения ЭДС е2 , тока I2 и потока Ф2 , обеспечивающие равновесие магнитных потоков в магнитопроводе, выражаемое формулой приведенной выше.

Таким образом, разность потоков Ф1 и Ф2 не может быть равна нулю, так как в этом случае отсутствовал бы основной поток Фo , а без него не мог бы существовать поток Ф2 и ток I2 . Следовательно, магнитный поток Ф1 , создаваемый первичным током I1 , всегда больше магнитного потока Ф2 , создаваемого вторичным током I2 .

Величина магнитного потока зависит от создающего его тока и от числа витков обмотки, по которой он проходит.

Напряжение вторичной обмотки зависит от соотношения чисел витков в обмотках . При одинаковом числе витков напряжение на вторичной обмотке будет приблизительно равно напряжению, подаваемому на первичную обмотку, и такой трансформатор называют разделительным .

Если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подаваемого на первичную обмотку, и такой трансформатор называют повышающим .

Если же вторичная обмотка содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее будет меньше, чем напряжение подаваемое на первичную обмотку, и такой трансформатор называют понижающим .

Следовательно. Путем подбора числа витков обмоток, при заданном входном напряжении U1 получают желаемое выходное напряжение U2 . Для этого пользуются специальными методиками по расчету параметров трансформаторов, с помощью которых производится расчет обмоток, выбирается сечение проводов, определяются числа витков, а также толщина и тип магнитопровода.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока . Если его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то в магнитопроводе образуется магнитный поток постоянный во времени, по величине и направлению. В этом случае в первичной и вторичной обмотках не будет индуцироваться переменное напряжение, а следовательно, не будет передаваться электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Однако если в первичной обмотке трансформатора будет течь пульсирующий ток, то во вторичной обмотке будет индуцироваться переменное напряжение частота которого будет равна частоте пульсации тока в первичной обмотке.

2. Устройство трансформатора.

2.1. Магнитопровод. Магнитные материалы.

Назначение магнитопровода заключается в создании для магнитного потока замкнутого пути, обладающего минимальным магнитным сопротивлением. Поэтому магнитопроводы для трансформаторов изготавливают из материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях. Материалы должны иметь малые потери на вихревые токи, чтобы не перегревать магнитопровод при достаточно больших значениях магнитной индукции, быть достаточно дешевыми и не требовать сложной механической и термической обработки.

Магнитные материалы , используемые для изготовления магнитопроводов, выпускаются в виде отдельных листов, либо в виде длинных лент определенной толщины и ширины и называются электротехническими сталями .
Листовые стали (ГОСТ 802-58) изготавливаются методом горячей и холодной прокатки, ленточные текстурованные стали (ГОСТ 9925-61) только методом холодной прокатки.

Также применяют железноникелевые сплавы с высокой магнитной проницаемостью, например, пермаллой, перминдюр и др. (ГОСТ 10160-62), и низкочастотные магнитомягкие ферриты.

Для изготовления разнообразных относительно недорогих трансформаторов широко применяются электротехнические стали , имеющие небольшую стоимость и позволяющие трансформатору работать как при постоянном подмагничивании магнитопровода, так и без него. Наибольшее применение нашли холоднокатаные стали, имеющие лучшие характеристики по сравнению со сталями горячей прокатки.

Сплавы с высокой магнитной проницаемостью применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, предназначенных для работы при повышенных и высоких частотах 50 – 100 кГц.

Недостатком таких сплавов является их высокая стоимость. Так, например, стоимость пермаллоя в 10 – 20 раз выше стоимости электротехнической стали, а пермендюра – в 150 раз. Однако в ряде случаев их применение позволяет существенно снизить массу, объем и даже общую стоимость трансформатора.

Другим их недостатком является сильное влияние на магнитную проницаемость постоянного подмагничивания, переменных магнитных полей, а также низкая стойкость к механическим воздействиям – удар, давление и т.п.

Из магнитомягких низкочастотных ферритов с высокой начальной проницаемостью изготавливают прессованные магнитопроводы , которые применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, работающих на высоких частотах от 50 – 100 кГц. Достоинством ферритов является невысокая стоимость, а недостатком является низкая индукция насыщения (0,4 – 0,5 Т) и сильная температурная и амплитудная нестабильность магнитной проницаемости. Поэтому их применяют лишь при слабых полях.

Выбор магнитных материалов производится исходя из электромагнитных характеристик с учетом условий работы и назначения трансформатора.

2.2. Типы магнитопроводов.

Магнитопроводы трансформаторов разделяются на шихтованные (штампованные) и ленточные (витые), изготавливаемые из листовых материалов и прессованные из ферритов.

Шихтованные магнитопроводы набираются из плоских штампованных пластин соответствующей формы. Причем пластины могут быть изготовлены практически из любых, даже очень хрупких материалов, что является достоинством этих магнитопроводов.

Ленточные магнитопроводы изготавливаются из тонкой ленты, намотанной в виде спирали, витки которой прочно соединены между собой. Достоинством ленточных магнитопроводов является полное использование свойств магнитных материалов, что позволяет уменьшить массу, размеры и стоимость трансформатора.

В зависимости от типа магнитопровода трансформаторы подразделяются на стрежневые , броневые и тороидальные . При этом каждый из этих типов может быть и стрежневым и ленточным.

Стержневые .

В магнитопроводах стержневого типа обмотки располагается на двух стержнях (стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки). Это усложняет конструкцию трансформатора, но уменьшает толщину намотки, что способствует снижению индуктивности рассеяния, расхода проволоки и увеличивает поверхность охлаждения.

Стержневые магнитопроводы используют в выходных трансформаторах с малым уровнем помех, так как они малочувствительны к воздействию внешних магнитных полей низкой частоты. Это объясняется тем, что под влиянием внешнего магнитного поля в обеих катушках индуцируются напряжения, противоположные по фазе, которые при равенстве витков обмоток компенсируют друг друга. Как правило, стержневыми выполняются трансформаторы большой и средней мощности.

Броневые .

В магнитопроводе броневого типа обмотка располагается на центральном стержне. Это упрощает конструкцию трансформатора, позволяет получить более полное использование окна обмоткой, а также создает некоторую механическую защиту обмотки. Поэтому такие магнитопроводы получили наибольшее применение.

Некоторым недостатком броневых магнитопроводов является их повышенная чувствительность к воздействию магнитных полей низкой частоты, что делает их малопригодными к использованию в качестве выходных трансформаторов с малым уровнем помех. Чаще всего броневыми выполняются трансформаторы средней мощности и микротрансформаторы.

Тороидальные .

Тороидальные или кольцевые трансформаторы позволяют полнее использовать магнитные свойства материала, имеют малые потоки рассеивания и создают очень слабое внешнее магнитное поле, что особенно важно в высокочастотных и импульсных трансформаторах. Но из-за сложности изготовления обмоток не получили широкого применения. Чаще всего их делают из феррита.

Для уменьшения потерь на вихревые токи шихтованные магнитопроводы набираются из штампованных пластин толщиной 0,35 – 0,5 мм, которые с одной стороны покрывают слоем лака толщиной 0,01 мм или оксидной пленкой.

Лента для ленточных магнитопроводов имеет толщину от нескольких сотых до 0,35 мм и также покрывается электроизолирующей и одновременно склеивающейся суспензией или оксидной пленкой. И чем тоньше слой изоляции, тем плотнее происходит заполнение сечения магнитопровода магнитным материалом, тем меньше габаритные размеры трансформатора.

За последнее время наряду с рассмотренными «традиционными» типами магнитопроводов находят применение новые формы, к числу которых следует отнести магнитопроводы «кабельного» типа, «обращенный тор», катушечный и др.

На этом пока закончим. Продолжим во .
Удачи!

Литература:

1. В. А. Волгов – «Детали и узлы радио-электронной аппаратуры», Энергия, Москва 1977 г.
2. В. Н. Ванин – «Трансформаторы тока», Издательство «Энергия» Москва 1966 Ленинград.
3. И. И. Белопольский – «Расчет трансформаторов и дросселей малой моности», М-Л, Госэнергоиздат, 1963 г.
4. Г. Н. Петров – «Трансформаторы. Том 1. Основы теории», Государственное Энергетическое Издательство, Москва 1934 Ленинград.
5. В. Г. Борисов, – «Юный радиолюбитель», Москва, «Радио и связь» 1992 г.

Статьи по теме: