§63. Назначение и принцип действия трансформатора

ТРАНСФОРМАТОРЫ

НАЗНАЧЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Трансформатор предназначен для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Увеличение напряжения осуществляется с помощью повышающих трансформаторов, уменьшение — понижающих.

Трансформаторы применяют в линиях электропередачи, в технике связи, в автоматике, измерительной технике и других областях.

В соответствии с назначением различают:

Силовые трансформаторы для питания электрических двигателей и осветительных сетей;

Специальные трансформаторы для питания сварочных аппаратов, электропечей и других потребителей особого назначения;

Измерительные трансформаторы для подключения измерительных приборов.

По числу фаз трансформаторы делятся на одно- и трехфазные. Трансформаторы, используемые в технике связи, подразделяют на низко- и высокочастотные.

Расчетные мощности трансформаторов различны — от долей вольт-ампер до десятков тысяч киловольт-ампер; рабочие частоты — от единиц герц до сотен килогерц.

Трансформатор — простой, надежный и экономичный электрический аппарат. Он не имеет движущихся частей и скользящих контактных соединений, его КПД достигает 99%. КПД трансформатора η, определяемый как отношение мощности на выходе Р 2 к мощности на входе Р 1 , зависит от нагрузки.

УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРА

Трансформатор представляет собой замкнутый магнитопровод, на котором расположены две или несколько обмоток. В маломощных высокочастотных трансформаторах, используемых в радиотехнических схемах, магнитопроводом может являться воздушная среда.

Для уменьшения потерь на гистерезис магнитопровод изготовляют из магнитомягкого материала — трансформаторной стали, имеющей узкую петлю намагничивания. Для уменьшения потерь на вихревые токи в материал магнитопровода вводят примесь кремния, повышающую его электрическое сопротивление, а сам магнитопровод собирают из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,35—0,5 мм, изолированных друг от друга теплостойким лаком или специальной бумагой.

Различают трансформаторы стержневого (рис. 7.1, а) и броневого (рис. 7.1, б) типов.

Рис. 7.1. Конструкция однофазного маломощного трансформатора стержневого (а) и броневого (б) типов

Последний хорошо защищает обмотки катушек от механических повреждений. Верхнюю часть магнитопровода, называемую ярмом, крепят после насадки на стержень катушек (обмоток). Стержни и ярмо соединяют очень плотно, чтобы исключить воздушные зазоры на стыках. В маломощных трансформаторах находят широкое применение кольцевые магнитопроводы, которые собирают из штампованных колец или навивают из длинной ленты. В этих магнитопроводах отсутствует воздушный зазор, поэтому магнитный поток рассеяния мал. В трансформаторах, рассчитанных на повышенные частоты, кольцевые магнитопроводы часто прессуют из ферромагнитного порошка, смешанного с изоляционным лаком.

Обмотки трансформаторов изготовляют из медного провода и располагают на одном и том же или на разных стержнях, рядом или одну под другой. В последнем случае непосредственно к стержню примыкает обмотка низшего напряжения, а поверх нее размещается обмотка высшего напряжения.

Обмотку трансформатора, к которой подводится напряжение питающей сети, называют первичной , а обмотку, к которой подсоединяется нагрузка,— вторичной . На сердечнике может быть размещено несколько вторичных обмоток с разным числом витков, что позволяет получить различные по значению вторичные напряжения.

При работе трансформатора за счет токов в обмотках, а также вследствие перемагничивания магнитопровода и вихревых токов выделяется теплота. Трансформаторы небольшой мощности (до 10 кВ-А), для которых достаточно воздушного охлаждения, называют сухими.

Рис. 7.2. Трехфазный силовой трансформатор Рис. 7.3. Общий вид автотрансформатора

I — ручка скользящего контакта; 2— скользящий контакт; 3 — обмотка

В мощных трансформаторах применяют масляное охлаждение (рис. 7.2). Магнитопровод 1 с обмотками 2, 3 размещается в баке 4, заполненном минеральным (трансформаторным) маслом. Масло не только отводит теплоту за счет конвекции или принудительной циркуляции, но и является хорошим диэлектриком (изолятором). Масляные трансформаторы надежны в работе и имеют меньшие размеры и массу по сравнению с сухими трансформаторами той же мощности. При изменении температуры объем масла меняется. При повышении температуры излишек масла поглощается расширителем 5, а при понижении температуры масло из расширителя возвращается в основной бак.

В тех случаях, когда требуется плавно изменять вторичное напряжение, применяют скользящий контакт для изменения числа витков обмотки (примерно так же, как это делается в ползунковых реостатах). Скользящий контакт широко используется в автотрансформаторах, рассчитанных на регулирование напряжения в небольших пределах (рис. 7.3).

ФОРМУЛА ТРАНСФОРМАТОРНОЙ ЭДС

Рассмотрим катушку (рис. 7.4), к зажимам которой подведено синусоидальное напряжение. Пренебрежем сопротивлением катушки и потерями на гистерезис и вихревые токи. Тогда приложенное к катушке напряжение u = U m sinωt будет уравновешиваться только ЭДС самоиндукции e = E m sin ω t .

Это очевидно, так как полностью уравновешивать друг друга могут только равные и одинаково изменяющиеся во времени величины.

В соответствии с законом электромагнитной индукции е = — w ; следовательно, Е m sin ωt= —ω.

Это дифференциальное уравнение позволяет найти зависимость между ЭДС обмотки и магнитным потоком в магнитопроводе:

d Ф= - sin ωt dt

Проинтегрируем левую и правую части этого выражения:

Ф = - ∫ sin ω t dt= cos ωt +A

Здесь постоянная интегрирования A = 0, так как синусоидальная ЭДС не может создать постоянную составляющую магнитного потока. Таким образом,

E= cos ω t = Ф m cos ω t,

где Ф m = Е m /ω w —амплитудное значение переменного магнитного потока в магнитопроводе катушки. Подставив в последнее равенство Е m = √2 E и ω = 2πf, получим

Ф m =, или Е=

т. е. Е = 4,44 fw Ф m . Это выражение, связывающее действующее значение ЭДС в обмотке с амплитудой магнитного потока в магнитопроводе, принято называть формулой трансформаторной ЭДС. Она играет важную роль в теории трансформаторов и электрических машин переменного тока.

Рис. 7.4. Схема катушки с ферромагнитным сердечником в цепи переменного тока

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА.

КОЭФФИЦИЕНТ ТРАНСФОРМАЦИИ.

Работа трансформатора основана на явлении взаимной индукции, которое является следствием закона электромагнитной индукции.

Рассмотрим более подробно сущность процесса трансформации тока и напряжения.

При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока напряжением U 1 по обмотке начнет проходить ток I 1 (рис. 7.5), который создаст в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней ЭДС E 2 , которую можно использовать для питания нагрузки.

Поскольку первичная и вторичная обмотки трансформатора пронизываются одним и тем же магнитным потоком Ф, выражения индуцируемых в обмотке ЭДС можно записать в виде

Е 1 = 4,44fw 1 Ф m

Е 2 = 4,44 fw 2 Ф m

где f — частота переменного тока; w 1 , w 2 — число витков обмоток.

Е 2 /Е 1 = w 2 / w 2 = k .

Отношение чисел витков обмоток трансформатора называют коэффициентом трансформации k .

Таким образом, коэффициент трансформации показывает, как относятся действующие значения ЭДС вторичной и первичной обмоток.

На основании закона электромагнитной индукции можно написать

e 1 = — w 1 , e 2 = — w 2

Поделив одно равенство на другое, получим e 2 / e 1 = w 2 / w 1 = k

Следовательно, в любой момент времени отношение мгновенных значений ЭДС вторичной и первичной обмоток равно коэффициенту трансформации. Нетрудно понять, что это возможно только при полном совпадении по фазе ЭДС е 1 и е 2 .

Если цепь вторичной обмотки трансформатора разомкнута (режим холостого хода), то напряжение на зажимах обмотки равно ее ЭДС: U 2 = E 2 , а напряжение источника питания почти полностью уравновешивается ЭДС первичной обмотки U ≈ E 1 . Следовательно, можно написать, что k = E 2 / E 1 ≈U 2 /U 1 .

Рис. 7.5. Принципиальная схема однофазного трансформатора

Таким образом, коэффициент трансформации может быть определен на основании измерений напряжения на входе и выходе ненагруженного трансформатора. Отношение напряжений на обмотках ненагруженного трансформатора указывается в его паспорте.

Учитывая высокий КПД трансформатора, можно полагать, что S t ≈ S 2 , где S 1 = U 1 I 1 — мощность, потребляемая из сети; S 2 = U 2 I 2 — мощность, отдаваемая в нагрузку.

Таким образом, U 1 I 1 ≈ U 2 I 2 , откуда I 1 / I 2 ≈ U 2 / U 1 = k .

Отношение токов первичной и вторичной обмоток приближенно равно коэффициенту трансформации, поэтому ток I 2 во столько раз увеличивается (уменьшается), во сколько раз уменьшается (увеличивается) U 2 .

ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

В линиях электропередачи используют в основном трехфазные силовые трансформаторы. Внешний вид, конструктивные особенности и компоновка основных элементов этого трансформатора представлены на рис. 7.2. Магнитопровод трехфазного трансформатора имеет три стержня, на каждом из которых размещаются две обмотки одной фазы (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Размещение обмоток на сердечнике трехфазного трансформатора

Для подключения трансформатора к линиям электропередачи на крышке бака имеются вводы, представляющие собой фарфоровые изоляторы, внутри которых проходят медные стержни. Вводы высшего напряжения обозначают буквами А, В, С, вводы низшего напряжения — буквами а, b , с. Ввод нулевого провода располагают слева от ввода а и обозначают О (рис. 7.7).

Принцип работы и электромагнитные процессы в трехфазном трансформаторе аналогичны рассмотренным ранее. Особенностью трехфазного трансформатора является зависимость коэффициента трансформации линейных напряжений от способа соединения обмоток.

Применяются главным образом три способа соединения обмоток трехфазного трансформатора: 1) соединение первичных и вторичных обмоток звездой (рис. 7.8, а); 2) соединение первичных обмоток звездой, вторичных — треугольником (рис. 7.8, б); 3) соединение первичных обмоток треугольником, вторичных—звездой (рис. 7.8, в).

Рис. 7.8. Способы соединения обмоток трехфазного трансформатора

Обозначим отношение чисел витков обмоток одной фазы буквой k , что соответствует коэффициенту трансформации однофазного трансформатора и может быть выражено через отношение фазных напряжений: k = w 2 / w 1 ≈ U 2ф / U 1ф

Обозначим коэффициент трансформации линейных напряжений буквой с.

При соединении обмоток по схеме звезда — звезда

При соединении обмоток по схеме звезда — треугольник

с =.

При соединении обмоток по схеме треугольник— звезда

Таким образом, при одном и том же числе витков обмоток трансформатора можно в √3 раза увеличить или уменьшить его коэффициент трансформации, выбирая соответствующую схему соединения обмоток.

АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Принципиальная схема автотрансформатора изображена на рис. 7.9.

У автотрансформатора часть витков первичной обмотки используется в качестве вторичной обмотки, поэтому помимо магнитной связи имеется электрическая связь между первичной и вторичной цепями. В соответствии с этим энергия из первичной цепи во вторичную передается как с помощью магнитного потока, замыкающегося по магнитопроводу, так и непосредственно по проводам. Поскольку формула трансформаторной ЭДС применима к обмоткам автотрансформатора так же, как и к обмоткам трансформатора, коэффициент трансформации автотрансформатора выражается известными отношениями

k = w 2 /w l =E 2 /E l ≈ U 2 /U 1 ≈I 1 /I 2

Вследствие электрического соединения обмоток через часть витков, принадлежащую одновременно первичной и вторичной цепям, проходят токи I 1 и I 2 , которые направлены встречно и при небольшом коэффициенте трансформации мало отличаются друг от друга по значению. Поэтому их разность оказывается небольшой и обмотку w 2 можно выполнить из тонкого провода. Таким образом, при k = 0,5 - 2 экономится значительное количество меди. При больших или меньших коэффициентах трансформации это преимущество автотрансформатора исчезает, так как та часть обмотки, по которой проходят встречные токи I 1 и I 2 , уменьшается до нескольких витков, а сама разность токов увеличивается.

Электрическое соединение первичной и вторичной цепей повышает опасность при эксплуатации аппарата, так как при пробое изоляции в понижающем автотрансформаторе оператор может оказаться под высоким напряжением первичной цепи.

Автотрансформаторы применяют для пуска мощных двигателей переменного тока, регулирования напряжения в осветительных сетях, а также в других случаях, когда необходимо регулировать напряжение в небольших пределах.

Измерительные трансформаторы напряжения и тока используют для включения измерительных приборов, аппаратуры автоматического регулирования и защиты в высоковольтные цепи. Они позволяют уменьшить размеры и массу измерительных устройств, повысить безопасность обслуживающего персонала, расширить пределы измерения приборов переменного тока.

Измерительные трансформаторы напряжения служат для включения вольтметров и обмоток напряжения измерительных приборов (рис. 7.10). Поскольку эти обмотки имеют большое сопротивление и потребляют маленькую мощность, можно считать, что трансформаторы напряжения работают в режиме холостого хода.

Измерительные трансформаторы тока используют для включения амперметров и токовых катушек измерительных приборов (рис. 7.11). Эти катушки имеют очень маленькое сопротивление, поэтому трансформаторы тока практически работают в режиме короткого замыкания.

Рис. 7.10. Схема включения и Рис. 7.11. Схема включения и

условное обозначение измери- условное обозначение изме-

тельного трансформатора напря- рительного трансформатора тока
жения

Результирующий магнитный поток в магнитопроводе трансформатора равен разности магнитных потоков, создаваемых первичной и вторичной обмотками. В нормальных условиях работы трансформатора тока он невелик. Однако при размыкании цепи вторичной обмотки в сердечнике будет существовать только магнитный поток первичной обмотки, который значительно превышает разностный магнитный поток. Потери в сердечнике резко возрастут, трансформатор перегреется и выйдет из строя. Кроме того, на концах оборванной вторичной цепи появится большая ЭДС, опасная для работы оператора. Поэтому трансформатор тока нельзя включать в линию без подсоединенного к нему измерительного прибора. Для повышения безопасности обслуживающего персонала кожух измерительного трансформатора должен быть тщательно заземлен.

СВАРОЧНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

К источникам питания сварочных аппаратов предъявляются специфические требования: при заданной мощности они должны создавать большие токи в нагрузке, причем резкое изменение сопротивления нагрузки не должно существенно сказываться на значении сварочного тока.

Относительно невысокие напряжения при больших токах обеспечивают не только эффективное тепловыделение в сварочном контакте, но и безопасность сварщика, работающего обычно среди металлических конструкций с высокой электропроводностью.

В соответствии с рассмотренными требованиями сварочные трансформаторы обеспечивают понижение напряжения от 220 или 380 В до 60—70 В. Такое напряжение на зажимах вторичной обмотки устанавливается при холостом ходе сварочного трансформатора. В процессе сварки оно колеблется от максимального значения 60—70 В до значений, близких к нулю. Сопротивление электрической дуги, возникающей при сварке, изменяется при перемещениях руки сварщика. Если бы напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора поддерживалось постоянным, возникали бы резкие колебания тока в цепи и регулировать тепловыделение было бы невозможно. Поэтому сварочный трансформатор устроен так, что при резком уменьшении сопротивления дуги ток в цепи увеличивается незначительно, а произведение I 2 R , определяющее количество теплоты, сохраняется на требуемом уровне.

В соответствии с законом Ома при резком уменьшении сопротивления и незначительном увеличении тока напряжение на дуге снижается. Сварочный трансформатор имеет крутопадающую внешнюю характеристику.

Сварочный трансформатор выдерживает короткие замыкания, возникающие в случае прикосновения электрода к сварочному шву. Ток короткого замыкания, как показывает внешняя характеристика, ограничен. Вторичная обмотка трансформатора рассчитана на достаточно длительное протекание этого тока.

При постоянном напряжении питающей сети быстрое снижение выходного напряжения трансформатора при незначительном возрастании тока может быть достигнуто только за счет увеличения внутреннего падения напряжения в обмотках трансформатора. Для этого нужно увеличить сопротивление обмоток.

Сварочные трансформаторы изготовляют с большим регулируемым индуктивным сопротивлением обмоток. При этом увеличивают не активное сопротивление проводов, а индуктивное сопротивление рассеяния обмоток, так как увеличение активного сопротивления привело бы к возрастанию потерь энергии и перегреву трансформатора.

Для увеличения индуктивного сопротивления рассеяния обмоток увеличивают поток рассеяния, вводя в магнитопровод трансформатора шунтирующий магнитопроводящий стержень, через который замыкается часть основного магнитного потока. Изменяя значение воздушного зазора в шунтирующем стержне, можно изменять магнитный поток рассеяния. Средний подвижный стержень, выполняющий функции магнитного шунта, предусмотрен, например, в конструкции отечественного сварочного трансформатора СТАН-1.

Применяют и другие способы изменения индуктивного сопротивления рассеяния обмоток. Так, в трансформаторе СТЭ в цепь вторичной обмотки включают специальный дроссель с регулируемым воздушным зазором, а в трансформаторе ТС-500 изменяют расстояние между первичной и вторичной обмотками.

Принцип действия трансформатора основан на знаменитом законе взаимной индукции. Если включить в сеть первичную обмотку этой то по этой обмотке начнет течь переменный ток. Этот ток будет создавать в сердечнике переменный магнитный поток. Данный магнитный поток начнет пронизывать витки вторичной обмотки трансформатора. На этой обмотке будет индуцироваться переменная ЭДС (электродвижущая сила). Если подключить (замкнуть) вторичную обмотку к какому-то приемнику электрической энергии (например, к обычной лампе накаливания), то под воздействием индуктируемой электродвижущей силы по вторичной обмотке к приемнику будет течь электрический переменный ток.

Вместе с этим, по первичной обмотке будет протекать ток нагрузки. Это значит, что электроэнергия будет трансформироваться и передаваться из вторичной обмотки в первичную при том напряжении, на который рассчитана нагрузка (то есть приемник электроэнергии, подключенный ко вторичной сети). Принцип действия трансформатора и основан на этом простом взаимодействии.

Для улучшения передачи магнитного потока и усиления магнитной связи намотка трансформатора, как первичная, так и вторичная, помещается на специальный стальной магнитопровод. Обмотки изолированы и от магнитопровода, и друг от друга.

Принцип действия трансформатора различен по напряжению обмоток. Если напряжение вторичной и первичной обмоток будет одинаково, то будет равен единице, и тогда теряется сам смыл трансформатора как преобразователя напряжения в сети. Разделяют понижающие и повышающие трансформаторы. Если первичное напряжение будет меньше, чем вторичное, то такое электрическое устройство будет называться повышающим трансформатором. Если же вторичное меньше - то понижающим. Однако один и тот же трансформатор можно использовать и в качестве повышающего, и в качестве понижающего. Трансформатор повышающий используется для передачи энергии на различные расстояния, для транзита и прочего. Понижающие используют в основном для перераспределения электроэнергии между потребителями. Расчет обычно и производится с учетом его последующего применения в качестве понижающего напряжение или повышающего.

Как уже говорилось выше, принцип действия трансформатора довольно прост. Однако есть некоторые любопытные детали в его конструкции.

В трансформаторах трехобмоточных три изолированные обмотки помещены на магнитопровод. Такой трансформатор может получать два разных напряжения и передавать энергию сразу двум группам приемников электроэнергии. В таком случае говорят, что кроме обмоток низшего и у трехобмоточного трансформатора есть и обмотка среднего напряжения.

Обмотки трансформатора имеют цилиндрическую форму, и полностью изолируются друг от друга. При такой обмотке поперечное сечение стержня будет иметь круглую форму для уменьшения ненамагниченных промежутков. Чем меньше таких промежутков, тем меньше и масса меди, а, следовательно, масса и стоимость трансформатора.

Простейший представляет собой устройство, состоящее из стального сердечника и двух обмоток (рис. 1). При подаче в первичную обмотку переменного напряжения, во вторичной обмотке индуцируется ЭДС той же частоты. Если ко вторичной обмотке подключить некоторый электроприемник, то в ней возникает электрический ток и на вторичных зажимах трансформатора устанавливается напряжение, которое несколько меньше, чем ЭДС и в некоторой относительно малой степени зависит от нагрузки. Отношение первичного напряжения ко вторичному (коэффициент трансформации) приблизительно равно отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток.

Рис. 1. Принцип устройства однофазного двухобмоточного трансформатора. 1 первичная обмотка, 2 вторичная обмотка, 3 сердечник. U1 первичное напряжение, U2 вторичное напряжение, I1 первичный ток, I2 вторичный ток, Ф магнитный поток

Простейшие условные обозначения трансформаторов изображены на рис. 2; для наглядности разные обмотки трансформатора можно, как и на рисунке, представить разными цветами.

Рис. 2. Условное обозначение трансформатора в подробных (многолинейных) схемах (a) и в схемах электрических сетей (b)

Трансформаторы могут быть одно- или многофазными, а вторичных обмоток может быть больше одной. В электрических сетях обычно используются трехфазные трансформаторы с одной или двумя вторичными обмотками. Если первичное и вторичное напряжения относительно близки друг другу, то могут использоваться и однообмоточные автотрансформаторы, принципиальные схемы которых представлены на рис. 3.

Рис. 3. Принципиальные схемы понижающего (a) и повышающего (b) автотрансформаторов

Важнейшими номинальными показателями трансформатора являются его номинальные первичное и вторичное напряжения, номинальные первичный и вторичный ток, а также номинальная вторичная полная мощность (номинальная мощность). Трансформаторы могут изготовляться как на весьма малую мощность (например, для микроэлектронных цепей), так и на очень большую (например, для мощных энергосистем), охватывая диапазон мощностей от 0,1 mVA до 1000 MVA.

Потери энергии в трансформаторе – обусловленные активным сопротивлением обмоток потери в меди и вызванные вихревыми токами и гистерезисом в сердечнике потери в стали – обычно настолько малы, что кпд трансформатора, как правило, выше 99 %. Несмотря на это, тепловыделение в мощных трансформаторах может оказаться настолько сильным, что необходимо прибегать к эффективным способам теплоотвода. Чаще всего активная часть трансформатора размещается в баке, заполненном минеральным (трасформаторным) маслом, который, при необходимости снабжается принудительным воздушным или водяным охлаждением. При мощности до 10 MVA (иногда и выше) могут применяться и сухие трансформаторы, обмотки которых обычно залиты с эпоксидной смолой. Основные преимущества сухих трансформаторов заключаются в более высокой огнебезопасности и в исключении течи трансформаторного масла, благодаря чему они могут без препятствий устанавливаться в любых частях зданий, в том числе на любом этаже. Для измерения переменных тока или напряжения (особенно в случае больших токов и высоких напряжений) часто используются измерительные трансформаторы.

Устройство трансформатора напряжения по своему принципу не отличается от силовых трансформаторов, но работает он в режиме, близком к холостому ходу; коэффициент трансформации в таком случае достаточно постоянен. Номинальное вторичное напряжение таких трансформаторов обычно равно 100 V. Вторичная обмотка трансформатора тока в идеальном случае короткозамкнута и вторичный ток в таком случае пропорционален первичному. Номинальный вторичный ток обычно составляет 5 A, но иногда может быть и меньше (например, 1 A). Примеры условных обозначений трансформаторов тока приведены на рис. 4.

Рис. 4. Условное обозначение трансформатора тока в развернутых схемах (a) и в однолинейных схемах (b)

Первым может считаться изготовленное Майклом Фарадеем (Michael Faraday) индукционное кольцо (англ. induction ring), состоящее из кольцевого стального сердечника и двух обмоток, при помощи которого он 29 августа 1831 года открыл явление электромагнитной индукции (рис. 5). Во время быстрого переходного процесса, возникающего при включении или отключении первичной обмотки, соединенной с источником постоянного тока, во вторичной обмотке индуцируется импульсная ЭДС. Такое устройство может поэтому называться импульсным или транзиентным трансформатором.

Рис. 5. Принцип устройства транзиентного трансформатора Майкла Фарадея. i1 первичный ток, i2 вторичный ток, t время

Исходя из открытия Фарадея, учитель физики колледжа города Маргнута (Margnooth) около Дублина (Dublin, Ирландия) Николас Келлан (Nicholas Callan, 1799–1864) построил в 1836 году индукционную катушку (искровой индуктор), состоящий из прерывателя и трансформатора; это устройство позволяло преобразовать постоянный ток в переменный ток высокого напряжения и вызывать длинные искровые разряды. Индукционные катушки стали быстро усовершенствоваться и в 19-м веке широко применялись при исследовании электрических разрядов. К ним могут быть отнесены и катушки зажигания современных автомобилей. Первый трансформатор переменного тока запатентовал в 1876 году живший в Париже русский электротехник Павел Яблочков, использовав его в цепях питания своих дуговых ламп. Сердечник трансформатора Яблочкова представлял собой прямой пучок стальных проволок, вследствие чего магнитная цепь была не замкнутой, как у Фарадея, а открытой, и в других установках такой трансформатор применять не стали. В 1885 году инженеры-электрики Будапештского завода Ганц и Компания (Ganz & Co.) Макс Дери (Max Deri, 172 1854–1938), Отто Титуш Блати (Otto Titus Blathy, 1860–1939) и Кароль Зиперновски (Karoly Zipernovsky, 1853–1942) изготовили трансформатор с тороидальным проволочным сердечником и заодно разработали систему распределения электроэнергии на переменном токе, основанную на применении этих трансформаторов. Трансформатор с еще лучшими свойствами, сердечник которого собирался из Е- и I-образных стальных листов, создал в том же году американский электротехник Уильям Стенли (William Stanley, 1858–1916), после чего началось быстрое развитие систем переменного тока как в Европе, так и в Америке. Первый трехфазный трансформатор построил в 1889 году Михаил Доливо-Добровольский.

Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:

1. Изменяющийся во времени электрический ток создаёт магнитное поле (электромагнетизм)

2. Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция)

Протекающий в первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе, изменения которого в свою очередь, проходя через вторичную обмотку, создают в ней переменную ЭДС.

Рис. 1 Схематическое устройство трансформатора. 1 - первичная обмотка, 2 - вторичная

Закон Фарадея

ЭДС, создаваемая во вторичной обмотке, может быть вычислена по закону Фарадея, который гласит, что:

N2 - число витков во вторичной обмотке,

Φ - суммарный магнитный поток, через один виток обмотки. Если витки обмотки расположены перпендикулярно линиям магнитного поля, то поток будет пропорционален магнитному полю B и площади S через которую он проходит.

ЭДС, создаваемая в первичной обмотке, соответственно:

U1 - мгновенное значение напряжения на концах первичной обмотки,

N1 - число витков в первичной обмотке.

Поделив уравнение U2 на U1, получим отношение:

Уравнения идеального трансформатора

Если вторичную обмотку подключить к нагрузке, то электрическая энергия будет передаваться из первичной цепи во вторичную. В идеале трансформатор всю поступающую энергию из первичной цепи трансформирует в магнитное поле и, затем, в энергию вторичной цепи. В этом случае поступающая энергия, равна преобразованной энергии.

P1 - мгновенное значение поступающей на трансформатор мощности, поступающей из первичной цепи,

P2 - мгновенное значение преобразованной трансформатором мощности, поступающей во вторичную цепь.

Соединив это уравнение с отношение напряжений на концах обмоток, получим уравнение идеального трансформатора:

Таким образом получаем, что при увеличении напряжения наконцах вторичной обмотки U2, уменьшается ток вторичной цепи I2.

Для преобразования сопротивления одной цепи к сопротивлению другой, нужно умножить величину на квадрат отношения. Например, сопротивление Z2 подключено к концам вторичной обмотки, его приведённое значение к первичной цепи будет . Данное правило справедливо также и для вторичной цепи: .

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе, сдвинутый по фазе, при синусоидальном токе, на 90° по отношению к напряжению в первичной обмотке. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку. Когда вторичные обмотки ни к чему не подключены (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток через первичную обмотку невелик, и определяется в основном её индуктивным сопротивлением. Напряжение индукции на вторичных обмотках в режиме холостого хода определяется отношением числа витков соответствующей обмотки w2 к числу витков первичной обмотки w1:

При подключении вторичной обмотки к нагрузке, по ней начинает течь ток. Этот ток также создаёт магнитный поток в магнитопроводе, причём он направлен противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате, в первичной обмотке нарушается компенсация ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке, до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения. В этом режиме отношение токов первичной и вторичной обмотки равно обратному отношению числа витков обмоток

отношение напряжений в первом приближении также остаётся прежним. В результате, мощность, потребляемая от источника в цепи первичной обмотки практически полностью передаётся во вторичную.

Схематично, выше сказанное можно изобразить следующим образом:

U1 → I1 → I1w1 → Ф → ε2 → I2

Мгновенный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора определяется интегралом по времени от мгновенного значения ЭДС в первичной обмотке, и в случае синусоидального напряжения сдвинут по фазе на 90° по отношению к ЭДС. Наведенная во вторичных обмотках ЭДС пропорциональна первой производной от магнитного потока, и для любой формы тока совпадает по фазе и форме с ЭДС в первичной обмотке.

Может быть, кто-то думает, что трансформатор – это что-то среднее между трансформером и терминатором. Данная статья призвана разрушить подобные представления.

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного электрического тока одного напряжения и определенной частоты в электрический ток другого напряжения и той же частоты.

Работа любого трансформатора основана на явлении , открытой Фарадеем.

Назначение трансформаторов

Разные виды трансформаторов используются практически во всех схемах питания электрических приборов и при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Электростанции вырабатывают ток относительно небольшого напряжения – 220 , 380 , 660 В. Трансформаторы, повышая напряжение до значений порядка тысяч киловольт , позволяют существенно снизить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния, а заодно и уменьшить площадь сечения проводов ЛЭП.

Непосредственно перед тем как попасть к потребителю (например, в обычную домашнюю розетку), ток проходит через понижающий трансформатор. Именно так мы получаем привычные нам 220 Вольт.

Самый распространенный вид трансформаторов – силовые трансформаторы . Они предназначены для преобразования напряжения в электрических цепях. Помимо силовых трансформаторов в различных электронных приборах применяются:

• импульсные трансформаторы;
• силовые трансформаторы;
• трансформаторы тока.

Принцип работы трансформатора

Трансформаторы бывают однофазные и многофазные, с одной, двумя или большим количеством обмоток. Рассмотрим схему и принцип работы трансформатора на примере простейшего однофазного трансформатора.

Из чего состоит трансформатор? Во простейшем случае из одного металлического сердечника и двух обмоток . Обмотки электрически не связаны одна с другой и представляют собой изолированные провода.

Одна обмотка (ее называют первичной ) подключается к источнику переменного тока. Вторая обмотка, называемая вторичной , подключается к конечному потребителю тока.

Когда трансформатор подключен к источнику переменного тока, в витках его первичной обмотки течет переменный ток величиной I1 . При этом образуется магнитный поток Ф , который пронизывает обе обмотки и индуцирует в них ЭДС.

Бывает, что вторичная обмотка не находится под нагрузкой. Такой режимы работы трансформатора называется режимом холостого хода. Соответственно, если вторичная обмотка подключена к какому-либо потребителю, по ней течет ток I2 , возникающий под действием ЭДС.

Величина ЭДС, возникающей в обмотках, напрямую зависит от числа витков каждой обмотки. Отношение ЭДС, индуцированных в первичной и вторичной обмотках, называется коэффициентом трансформации и равно отношению количества витков соответствующих обмоток.

Путем подбора числа витков на обмотках можно увеличивать или уменьшать напряжение на потребителе тока с вторичной обмотки.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор – трансформатор, в котором отсутствуют потери энергии. В таком трансформаторе энергия тока в первичной обмотке полностью преобразуется сначала в энергию магнитного поля, а далее – в энергию вторичной обмотки.

Конечно, такого трансформатора не существует в природе. Тем не менее, в случае, когда теплопотерями можно пренебречь, в расчетах удобно пользоваться формулой для идеального трансформатора, согласно которой мощности тока в первичной и вторичной обмотках равны.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на

Потери энергии в трансформаторе

Коэффициент полезного действия трансформаторов достаточно высок. Тем не менее, в обмотке и сердечнике происходят потери энергии, приводящие к тому, что температура при работе трансформатора повышается. Для трансформаторов небольшой мощности это не представляет проблемы, и все тепло уходит в окружающую среду – используется естественное воздушное охлаждение. Такие трансформаторы называют сухими.

В более мощных трансформаторах воздушного охлаждения оказывается недостаточно, и применяется охлаждение маслом. В этом случае трансформатор помещается в бак с минеральным маслом, через которое тепло передается стенкам бака и рассеивается в окружающую среду. В трансформаторах высоких мощностей дополнительно применяются выхлопные трубы – если масло закипает, образовавшимся газам нужен выход.

Конечно, трансформаторы не так просты, как может показаться на первый взгляд - ведь мы рассмотрели принцип действия трансформатора кратко. Контрольная по электротехнике с задачами на расчет трансформатора внезапно может стать настоящей проблемой. всегда готов оказать помощь в решении любых проблем с учебой! Обращайтесь в Zaochnik и учитесь легко!