Устройство трансформатора принцип работы: определение, классификация и принцип работы

3.2. Принцип работы и устройство трансформатора

Общетехнические дисциплины / Общая энергетика / 3.2.     Принцип работы и устройство трансформатора

В трансформаторе передача электрической энергии из первичной обмотки во вторичную осуществляется, как и во всех электрических машинах, посредством магнитного потока (Ф), который является переменным, т.е. изменяющимся во времени. В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции, в соответствии с которым значение электродвижущей силы, наведенной в контуре, пропорционально скорости изменения потока (Ф), пронизывающего этот контур. Если в контуре имеется несколько последовательно соединенных витков (w), то наведенная в катушке ЭДС будет в w раз больше.

Принцип работы трансформатора рассмотрим на примере простейшего однофазного двухобмоточного трансформатора (рис. 3.2).

Трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода 3 и двух обмоток с числом витков

w₁ и w₂.

Обмотки трансформатора служат для создания магнитного поля, посредством которого осуществляется передача электрической энергии и обеспечивается наведение в обмотках ЭДС, требуемой по условиям эксплуатации. Обмотки выполняют из медных или алюминиевых изолированных проводов круглого или прямоугольного сечения.

Обмотку w₁ трансформатора, к которой подводится электрическая энергия (напряжение u₁), называют первичной, а обмотку w₂, от которой энергия отводится (напряжение u₂), — вторичной.

Магнитопровод трансформатора служит для усиления магнитной связи между обмотками и является конструктивным основанием (остовом) для установки и крепления обмоток, отводов и других деталей трансформатора (рис. 3.3).

Магнитопровод набирают из изолированных листов специальной электротехнической стали с относительным содержанием кремния до 5%. Толщину листов выбирают из условий получения приемлемого уровня потерь от индуктированных в них вихревых токов при заданной частоте питающего трансформатор источника переменного тока и технологических условий при производстве магнитопровода.

При частоте 50Гц в современных силовых трансформаторах толщина листов равна 0,27—0,35мм.

Часть магнитопровода, на которой располагается обмотка, называют стержнем, а часть магнитопровода, замыкающая стержни, на которых не располагаются обмотки, называется ярмом.

Если первичную обмотку трансформатора при разомкнутой вторичной включить в сеть переменного тока с напряжением u₁, то по ней потечет ток i₁ = i₀, называемый током холостого хода. Обусловленная током i₀

магнитодвижущая сила (МДС) пер

вичной обмотки (i₀w₁) создает в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток (Ф), который почти полностью, за исключением некоторого рассеяния, сцеплен со всеми витками первичной и вторичной обмоток. Магнитный поток (Ф), как описывает закон электромагнитной индукции, наведет в первичной обмотке ЭДС самоиндукции (e₁), значение которой пропорционально числу витков w₁, а во вторичной обмотке — ЭДС (e₂), пропорциональную числу витков w₂.

Отношение индуктированных в первичной и вторичной обмотках ЭДС, равное отношению чисел витков этих обмоток, называют коэффициентом трансформации:

K = e_l/e₂ =

w_l/w₂.

Таким образом, подбирая число витков обмоток, можно при заданном напряжении u_l, которое примерно равно ЭДС e_l, получить требуемое выходное напряжение трансформатора:

u₂ = e₂.

Если u_l > u₂ (w_l > w₂), т.е. K > 1, трансформатор называют понижающим, а при u_l < u₂ (w_l < w₂) — повышающим.

При подключении вторичной обмотки к сопротивлению нагрузки (Z_н) по ней потечет переменный ток i₂. При этом в первичной обмотке возникнет ток i₁, который поддерживает магнитный поток постоянным. Вследствие этого обеспечивается равновесие между ЭДС (

e_l), наведенной в первичной обмотке, и напряжением в сети (u_l).

Таким образом, при нагрузке трансформатора магнитный поток создается совместным действием магнитодвижущих сил первичной и вторичной обмоток.

При замкнутом магнитопроводе, собранном из пластин электротехнической стали, обладающей небольшим магнитным сопротивлением, МДС первичной обмотки (i₀w₁)(при разомкнутой вторичной обмотке) составляет 0,2—3,0% МДС обмоток при номинальной нагрузке, поэтому можно принять, что

i₁w₁ » i₂w₂.

Следовательно, токи, протекающие в первичной и вторичной обмотках, обратно пропорциональны отношению чисел их витков:

i₁/i₂ = w₂/w₁.

Для силовых трансформаторов установлены стандартные обозначения (маркировка) начал и концов (выводов) обмоток.

В однофазном трансформаторе начало и конец обмотки высшего напряжения (ВН) обозначается соответственно прописными буквами А и X, а обмотки низшего напряжения (НН) — строчными латинскими буквами а и х.

При наличии третьей обмотки с промежуточным (средним) напряжением (СН) начало и конец обмотки обозначают соответственно А_m и Х_m.

В трехфазном трансформаторе начала и концы обмоток ВН обозначаются соответственно А, В, С и X, Y, Z и т.д.

В трехфазных трансформаторах обмотки могут быть соединены по схемам «звезда», «треугольник» или «зигзаг», которые соответственно обозначают русскими буквами У и Д и латинской Z. При выводе от нейтрали (общей точки обмоток фаз) у схемы «звезда» или «зигзаг» отвод (ответвление) обозначают следующим образом: добавляя к буквенным обозначениям схем соединения обмоток индекс «н».

Например: У_н.

Схемы соединения трехфазного трансформатора обозначаются в виде дроби, в числителе которой ставят обозначение схемы соединения обмотки ВН, а в знаменателе — схемы соединения обмотки НН. Например, для трансформатора с обмоткой ВН, соединенной по схеме треугольник, и с обмоткой НН, соединенной по схеме звезда с выведенной нейтралью, обозначение имеет вид: Д/У_н.

При обслуживании трансформаторов кроме схем соединения необходимо знать взаимное направление ЭДС в обмотках ВН и НН. Если две обмотки 1 и 2 размещены на одном и том же стержне и пронизываются одним и тем же потоком Ф, то при одинаковом направлении намотки и обозначении выводов (концов) (рис. 3.4,

а) наведенные ЭДС одинаково направлены (от концов к началам) и, следовательно, совпадают по фазе.

Для характеристики сдвига фаз линейных ЭДС обмоток ВН и НН введено понятие группы соединения обмоток трансформатора.

Группа соединения обозначается целым числом, которое получено от деления на 30° угла сдвига между линейными ЭДС на одноименных выводах обмоток ВН и НН трансформатора, причем отсчет угла производится от вектора ЭДС обмотки ВН по направлению движения часовой стрелки.

На рис. 3.4, а сдвиг между ЭДС Е₁ и Е₂ обмоток АХ и ах равен нулю, поэтому группа соединений обмоток обозначается как I/I-0, где «I» говорит об однофазном варианте трансформатора, при этом ЭДС высшего напряжения (Е₁) ассоциируется с минутной стрелкой часов и условно направляется на циферблате часов на цифру 12. Часовая стрелка часов представляет собой ЭДС низшего напряжения (

Е₂)и обозначает группу соединения.

Фазовый сдвиг между фазными ЭДС обмоток ВН и НН зависит как от обозначения выводов, так и от направления намотки. При размещении обмоток на одном стержне этот сдвиг может быть равным либо 0, либо 180°.

На рис. 3.4, б, в при изменении обозначений концов обмотки НН (рис. 3.4, б) или изменении направления намотки обмотки НН (рис. 3.4, в) ЭДС Е₂ поворачивается на угол 180°, что дает группу соединений I/I-6.

В трехфазных трансформаторах схемы соединения У, Д, Z могут образовывать 12 различных групп со сдвигом фаз линейных ЭДС через 30°. На рис. 3.5 для примера приведены схема соединения обмоток У/У и соответствующая векторная диаграмма для нулевой группы, которая обозначается У/У-0 (рис. 3.5,

а), а также векторная диаграмма для одиннадцатой группы при соединении обмоток У/Д (обозначение У/Д-11) (рис. 3.5, б).

Из всех возможных групп соединения трехфазных двухобмоточных трансформаторов стандартизировано только две группы: 0 и 11 — с выводом в случае

необходимости нулевой точки «звезды» или «зигзага», а для однофазных трансформаторов — только с соединением I/I-0.

Для трансформации трехфазного тока и напряжения применяют или три однофазных трансформатора (рис. 3.6, а), или один трехфазный трансформатор (рис. 3.6, б), в котором общий для трех фаз магнитопровод может быть образован из трех однофазных.

В самом деле, если три однофазных трансформатора расположить, как показано на рис.

3.7, а, то стержни магнитопроводов, на которых не размещены обмотки, можно конструктивно объединить в один. Учитывая, что в трехфазной системе сумма фазных токов равна нулю:

I_A + I_B + I_C=0,

а следовательно, и сумма потоков равна нулю, то надобность в объединенном стержне вообще отпадает. Полученный таким образом магнитопровод (рис. 3.7, б) является пространственным трехфазным.

В реальных конструкциях используют магнитопровод, называемый плоским стержневым трехфазным. Он образуется, если у пространственного магнитопровода убрать ярма фазы В и все три стержня расположить в одной плоскости (рис. 3.7, в).

Трехфазные трансформаторы с плоскими стержневыми магнитопроводами получили наибольшее распространение, а свойственная им магнитная несимметрия фаз существенного значения при эксплуатации не имеет.

На рис. 3.8 представлена конструкция пространственного ленточного магнитопровода, состоящего из трех овальных секций, имеющих фасонную форму сечения и навитых из ленты холоднокатаной стали переменной ширины при безотходном раскрое стали и высоком коэффициенте заполнения сечения стержня активной сталью. Обмотки наматываются после сборки системы непосредственно на стержни на специальном стенде.

принцип работы и типы приборов

Трансформатор — незаменимое устройство в электротехнике.

Без него энергосистема в ее нынешнем виде не могла бы существовать.

Присутствуют эти элементы и во многих электроприборах.

Желающим познакомиться с ними поближе предлагается данная статья, тема которой — трансформатор: принцип работы и виды приборов, а также их назначение.

 

Что такое трансформатор

Так называют устройство, изменяющее величину переменного электрического напряжения. Существуют разновидности, способные менять и его частоту.

Таким аппаратами оснащают многие приборы, также они применяются в самостоятельном виде.

Например, установки, повышающие напряжение для передачи тока по электромагистралям.

Генерируемое электростанцией напряжение они поднимают до 35 – 750 кВ, что дает двойную выгоду:

• уменьшаются потери в проводах;
• требуются провода меньшего сечения.

В городских электросетях напряжение снова уменьшается до величины в 6,1 кВ, опять же с использованием трансформатора. В распределительных сетях, раздающих электричество потребителям, напряжение понижают до 0,4 кВ (это привычные нам 380/220 В).

Принцип работы

Работа трансформаторного устройства основана на явлении электромагнитной индукции, состоящей в следующем: при изменении параметров магнитного поля, пересекающего проводник, в последнем возникает ЭДС (электродвижущая сила). Проводник в трансформаторе присутствует в форме катушки или обмотки, и общая ЭДС равна сумме ЭДС каждого витка.

Для нормальной работы требуется исключить электрический контакт между витками, потому используют провод в изолирующей оболочке. Эту катушку называют вторичной.

Магнитное поле, необходимое для генерации во вторичной катушке ЭДС, создается другой катушкой. Она подключается к источнику тока и называется первичной. Работа первичной катушки основана на том факте, что при протекании через проводник тока, вокруг него формируется электромагнитное поле, а если он смотан в катушку, оно усиливается.

Как работает трансформатор

При протекании через катушку постоянного тока параметры электромагнитного поля не меняются и оно неспособно вызвать ЭДС во вторичной катушке. Поэтому трансформаторы работают только с переменным напряжением.

На характер преобразования напряжения влияет соотношение количества витков в обмотках – первичной и вторичной. Его обозначают «Кт» – коэффициент трансформации. Действует закон:

Кт = W1 / W2 = U1 / U2,

где,

• W1 и W2 — количество витков в первичной и вторичной обмотках;
• U1 и U2 — напряжение на их выводах.

Следовательно, если в первичной катушке витков больше, то напряжение на выводах вторичной ниже. Такой аппарат называют понижающим, Кт у него больше единицы. Если витков больше во вторичной катушке — трансформатор напряжение повышает и называется повышающим. Его Кт меньше единицы.

Большой силовой трансформатор

Если пренебречь потерями (идеальный трансформатор), то из закона сохранения энергии следует:

P1 = P2,

где Р1 и Р2 — мощность тока в обмотках.

Поскольку P = U * I, получим:

• U1 * I1 = U2 * I2;
• I1 = I2 * (U2 / U1) = I2 / Кт.

Это означает:

• в первичной катушке понижающего устройства (Кт > 1) протекает ток меньшей силы, чем в цепи вторичной;
• с повышающими трансформаторами (Кт < 1) все наоборот: сила тока в первичной катушке выше, чем в цепи вторичной.

Данное обстоятельство учитывают при подборе сечения проводов для обмоток аппаратов.

Конструкция

Трансформаторные обмотки надевают на магнитопровод — деталь из ферромагнитной, трансформаторной или иной магнитомягкой стали. Он служит проводником электромагнитного поля от первичной катушки ко вторичной.

Под действием переменного магнитного поля в магнитопроводе также генерируются токи — они называются вихревыми. Эти токи приводят к потерям энергии и нагреву магнитопровода. Последний, с целью свести данное явление к минимуму, набирают из множества изолированных друг от друга пластин.

На магнитопроводе катушки располагают двояко:

• рядом;
• наматывают одну поверх другой.

Обмотки для микротрансформаторов изготавливают из фольги толщиной 20 – 30 мкм. Ее поверхность в результате окисления становится диэлектриком и играет роль изоляции.

Конструкция трансформатора

На практике добиться соотношения Р1 = Р2 невозможно из-за потерь трех видов:

1. рассеивание магнитного поля;
2. нагрев проводов и магнитопровода;
3. гистерезис.

Потери на гистерезис — это затраты энергии на перемагничивание магнитопровода. Направление силовых линий электромагнитного поля постоянно меняется. Каждый раз приходится преодолевать сопротивление диполей в структуре магнитопровода, выстроившихся определенным образом в предыдущей фазе.

Потери на гистерезис стремятся уменьшить, применяя разные конструкции магнитопроводов.

Итак, в реальности величины Р1 и Р2 отличаются и соотношение Р2 / Р1 называют КПД устройства. Для его измерения используются следующие режимы работы трансформатора:

• холостого хода;
• короткозамкнутый;
• с нагрузкой.

В некоторых разновидностях трансформаторов, работающих с напряжением высокой частоты, магнитопровод отсутствует.

Режим холостого хода

Первичная обмотка подключена к источнику тока, а цепь вторичной разомкнута. При таком подключении в катушке течет ток холостого хода, в основном представляющий реактивный ток намагничивания.

Такой режим позволяет определить:

• КПД устройства;
• коэффициент трансформации;
• потери в магнитопроводе (на языке профессионалов — потери в стали).

Схема трансформатора в режиме холостого хода

Короткозамкнутый режим

Выводы вторичной обмотки замыкают без нагрузки (накоротко), так что ток в цепи ограничивается лишь ее сопротивлением. На контакты первичной подают такое напряжение, чтобы ток в цепи вторичной обмотки не превышал номинального.

Такое подключение позволяет определить потери на нагрев обмоток (потери в меди). Это необходимо при реализации схем с применением вместо реального трансформатора активного сопротивления.

Режим с нагрузкой

В этом состоянии к выводам вторичной обмотки подключен потребитель.

Охлаждение

В процессе работы трансформатор греется.

Применяют три способа охлаждения:

1. естественное: для маломощных моделей;
2. принудительное воздушное (обдув вентилятором): модели средней мощности;
3. мощные трансформаторы охлаждаются при помощи жидкости (в основном используют масло).

Прибор с масляным охлаждением

Виды трансформаторов

Аппараты классифицируются по назначению, типу магнитопровода и мощности.

Силовые трансформаторы

Наиболее многочисленная группа. К ней относятся все трансформаторы, работающие в энергосети.

Автотрансформатор

У этой разновидности между первичной и вторичной обмотками имеется электрический контакт. При намотке провода делают несколько выводов — при переключении между ними задействуется разное число витков, отчего меняется коэффициент трансформации.

Достоинства автотрансформатора:

• Повышенный КПД. Объясняется тем, что преобразованию подвергается только часть мощности. Это особенно важно при незначительной разнице между напряжением на входе и выходе.
• Низкая стоимость. Это обусловлено меньшим расходом стали и меди (автотрансформатор имеет компактные размеры).

Эти устройства выгодно применять в сетях напряжением 110 кВ и более с эффективным заземлением при Кт не выше 3-4.

Трансформатор тока

Используется для снижения силы тока в подключенной к источнику питания первичной обмотке. Устройство находит применение в защитных, измерительных, сигнальных и управляющих системах. Преимущество в сравнении с шунтовыми схемами измерения, состоит в наличии гальванической развязки (отсутствие электроконтакта между обмотками).

Первичная катушка включается в цепь переменного тока – исследуемую или контролируемую –  с нагрузкой последовательно. К выводам вторичной обмотки подключают исполнительное индикаторное устройство, к примеру, реле, или прибор измерения.

Трансформатор тока

Допустимое сопротивление в цепи вторичной катушки ограничено мизерными значениями — почти короткое замыкание. У большинства токовых трансформаторов величина номинального тока в этой катушке составляет 1 или 5 А. При размыкании цепи в ней формируется высокое напряжение, способное пробить изоляцию и повредить подключенные приборы.

Импульсный трансформатор

Работает с короткими импульсами, продолжительность которых измеряется десятками микросекунд. Форма импульса практически не искажается. В основном используются в видеосистемах.

Сварочный трансформатор

Данное устройство:

• понижает напряжение;
• рассчитано на номинальный ток в цепи вторичной обмотки до тысяч ампер.

Регулировать сварочный ток можно изменением числа витков обмоток, задействованных в процессе (они имеют по нескольку выводов). При этом изменяется величина индуктивного сопротивления или вторичное напряжение холостого хода. Посредством дополнительных выводов обмотки разбиты на секции, потому регулировка сварочного тока осуществляется ступенчато.

Габариты трансформатора во многом зависят от частоты переменного тока. Чем она выше, тем более компактным получится устройство.

Сварочный трансформатор ТДМ 70-460

На этом принципе основано устройство современных инверторных сварочных аппаратов. В них переменный ток перед подачей на трансформатор подвергается обработке:

• выпрямляется посредством диодного моста;
• в инверторе — управляемом микропроцессором электронном узле с быстро переключающимися ключевыми транзисторами — снова становится переменным, но уже с частотой 60 – 80 кГц.

Потому эти сварочные аппараты такие легкие и небольшие.

Также устроены блоки питания импульсного типа, например, в ПК.

Разделительный трансформатор

В этом устройстве обязательно присутствует гальваническая развязка (нет электрического контакта между первичной и вторичной обмотками), а Кт равен единице. То есть разделительный трансформатор напряжение оставляет неизменным. Он необходим для повышения безопасности подключения.

Прикосновение к токоведущим элементам оборудования, подключенного к сети через такой трансформатор, к сильному удару током не приведет.

В быту такой способ подключения электроприборов уместен во влажных помещениях— в ванных и пр.

Кроме силовых трансформаторов, существуют сигнальные разделительные. Они устанавливаются в электроцепи для гальванической развязки.

Магнитопроводы

Бывают трех видов:

1. Стержневые. Выполнены в виде стержня ступенчатого сечения. Характеристики оставляют желать лучшего, но зато просты в исполнении.
2. Броневые. Лучше стержневых проводят магнитное поле и вдобавок защищают обмотки от механических воздействий. Недостаток: высокая стоимость (требуется много стали).
3. Тороидальные. Наиболее эффективная разновидность: создают однородное сконцентрированное магнитное поле, чем способствуют уменьшению потерь. Трансформаторы с тороидальным магнитопроводом имеют наибольший КПД, но они дороги из-за сложности изготовления.

Мощность

Мощность трансформатора принято обозначать в вольт-амперах (ВА). По данному признаку устройства классифицируются так:

• маломощные: менее 100 ВА;
• средней мощности: несколько сотен ВА;

Существуют установки большой мощности, измеряемой в тысячах ВА.

Трансформаторы отличаются назначением и характеристиками, но принцип действия у них одинаков: переменное магнитное поле, генерируемое одной обмоткой, возбуждает во второй ЭДС, величина которого зависит от числа витков.

Необходимость в преобразовании напряжения возникает очень часто, потому трансформаторы получили самое широкое распространение. Данное устройство можно изготовить самостоятельно.

Работа трансформатора: принцип, основы и типы

Трансформатор преобразует электрическую энергию из одной электрической цепи в другую. В частности, повышающий трансформатор увеличивает напряжение при его передаче из первичной цепи во вторичную. С другой стороны, понижающий трансформатор снижает напряжение при его передаче из первичной цепи во вторичную. Для того, чтобы понять, как это делает трансформатор, нужно узнать о работе трансформатора.

Работа трансформатора: Принцип

Преобразование энергии осуществляется за счет взаимной индукции между обмотками. Простейшая форма трансформатора показана на рисунке 1, на котором изображен трансформатор, состоящий из двух катушек индуктивности, первичной и вторичной обмоток. Две катушки соединены ламинированным стальным сердечником, который позволяет магнитному потоку проходить по ламинированному пути.

Рисунок 1. Схема трансформатора. Источник: Джорджия Панаги, StudySmarter.

При подключении первичной обмотки к внешнему источнику переменного напряжения в обмотках индуцируется магнитный поток по закону Фарадея.

Закон Фарадея гласит, что переменное магнитное поле индуцирует электродвижущую силу, противодействующую изменениям магнитного поля.

Когда переменный ток проходит через первичную обмотку, магнитное поле изменяется, вызывая электродвижущую силу. Возникающее магнитное поле разрезает обмотку вторичной катушки, что создает в этой обмотке переменное напряжение за счет электромагнитной индукции.

Трансформаторы могут достигать своей цели только при подаче переменного тока. Это связано с тем, что постоянный ток не создает электромагнитной индукции.

Большая часть магнитного потока связана со вторичной обмоткой, что называется «основным потоком», в то время как оставшийся поток не связан со вторичной обмоткой и известен как «поток рассеяния».

Поток рассеяния — это небольшая часть потока, которая просачивается за пределы пути магнитного потока.

ЭДС индукции известна как ЭДС взаимной индукции, и ее частота равна приложенной электродвижущей силе.

Когда вторичная обмотка представляет собой замкнутую цепь, по цепи протекает взаимно индуцированный ток, передавая электрическую энергию из первичной цепи во вторичную.

Сердечник трансформатора

Сердечник трансформатора состоит из ламинированных стальных листов, расположенных таким образом, что между каждым листом имеется минимальный воздушный зазор. Это делается для обеспечения непрерывного пути магнитного потока. Используемый тип стали обеспечивает высокую проницаемость и снижает потери на вихревые токи и низкие потери на гистерезис.

Гистерезисные потери возникают из-за намагничивания и размагничивания сердечника, когда ток подается в обоих направлениях.

Сталь обладает высокой проницаемостью, что означает, что ее способность проводить магнитный поток намного выше, чем у воздуха, что позволяет возникать магнитному потоку.

Вихревые токи циркулируют в проводниках подобно завихрениям в потоке, вызванном переменными магнитными полями, текущими по замкнутому контуру.

Типы трансформаторов

Существуют различные типы трансформаторов с различными геометрическими вариациями.

Трансформатор с сердечником

В трансформаторе с сердечником обмотки имеют цилиндрическую форму и расположены в сердечнике, как показано на рис. 2 ниже. Цилиндрические катушки имеют разные слои, причем каждый слой изолирован от другого. Трансформаторы стержневого типа существуют как в малом, так и в крупногабаритном исполнении. Эффективная площадь сердечника трансформатора может быть уменьшена за счет использования ламинирования и изоляции.

Рис. 2. Трансформатор с сердечником. Источник: МайТек.

Трансформатор с кожухом

В трансформаторе с кожухом катушки установлены слоями и уложены друг на друга с изоляцией между ними. Трансформатор оболочкового типа может иметь простую прямоугольную форму, как показано на рис. 3 (слева), или может иметь распределенную конфигурацию (справа).

Рис. 3. Трансформатор прямоугольного сечения (слева) и распределительный трансформатор кожухового типа (справа). Источник: CircuitsToday.

Зигзагообразный или соединительный трансформатор звездообразного типа

Зигзагообразный трансформатор имеет зигзагообразное соединение, при котором токи в обмотках на сердечнике протекают в противоположных направлениях во избежание насыщения.

Рис. 4. Конфигурация «Зигзаг-трансформер».

Использование и назначение трансформатора

Трансформаторы классифицируются в зависимости от их использования, назначения и поставки. Существуют две основные цели, для которых используются трансформаторы:

• Повышающие трансформаторы используются для увеличить напряжение на вторичной обмотке. У повышающего трансформатора на вторичной обмотке больше витков, чем на первичной.
• Трансформаторы понижающие применяются для снижения напряжения на вторичной обмотке. У понижающего трансформатора на вторичной обмотке меньше витков, чем на первичной.

Уравнение коэффициента трансформации определяет соотношение между вторичным и первичным напряжениями В ₁ и В ₂ измеряется в Вольтах, токи I ₁ и I ₂ измеряются в Амперах, а количество витков в катушках n ₁ и n ₂ . Это соотношение можно использовать для уменьшения или увеличения количества пропорционально второй или первичной обмотке.

a=n1n2=V1V2=I2I1

Уравнение идеального трансформатора

Отношение напряжений равно отношению числа витков, как показано в предыдущих уравнениях. В идеальном трансформаторе без потерь электроэнергии, включая потери в сердечнике, потери на вихревые токи или потери на гистерезис, входная мощность равна выходной мощности.

Следовательно, КПД трансформатора равен 100 %, или отношение выходной мощности к входной мощности равно 1. Это также показано в приведенном ниже уравнении идеального трансформатора, где I ₁ и В ₁ — ток и напряжение первичной обмотки соответственно, а I ₂ и В ₂ — ток и напряжение вторичной обмотки соответственно.

Входная мощность=Выходная мощностьV1·I1=V2·I2

Входное напряжение 5 В подается на первичную обмотку трансформатора, а выходное напряжение 15 В индуцируется во вторичной обмотке. Если мы заменим первичное входное напряжение на 25 В, каково будет новое индуцированное выходное напряжение вторичной катушки?

Мы используем уравнение трансформатора, чтобы определить соотношение между первичным и вторичным напряжениями. Затем мы используем это отношение для определения нового индуцированного напряжения во вторичной обмотке на основе нового первичного входного напряжения.

a=V1V2=515=0,330,33=25VV2’⇒V2’=25V0,33=75V

Однофазные и трехфазные трансформаторы

Трансформаторы также можно классифицировать по типу питания. Существует два типа питания:

• Однофазные трансформаторы содержат один проводник и один нулевой провод. Они работают с использованием цикла напряжения, работающего в фазе времени, и широко используются в современных технологиях для преобразования значений переменного тока в желаемые.
• Трехфазные трансформаторы широко используются для распределения электроэнергии и сетевых приложений. Они работают по тому же принципу, что и однофазные трансформаторы. Однако имеется три проводника, каждый из которых содержит набор первичной и вторичной обмотки и один нулевой провод.

Ток в трехфазном трансформаторе имеет три пика и минимума для каждого периода. Следовательно, максимальная амплитуда достигается много раз, что помогает обеспечивать постоянную мощность.

Эксплуатация трансформатора — основные выводы

• Трансформатор — это устройство, повышающее или понижающее напряжение от одной цепи к другой.
• Основным принципом работы трансформаторов является закон индукции Фарадея.
• Трансформаторы бывают трех основных конфигураций: сердечник, оболочка и зигзаг.
• Существует два разных типа трансформаторов с разными источниками питания.

Принцип работы трансформатора

Трансформатор является одним из наиболее важных устройств в электротехнике, который изменяет величину и фазовый угол входного переменного тока. Фактически трансформатор представляет собой статическую электрическую машину, поскольку в трансформаторе нет вращающихся частей. Более того, трансформатор является пассивным компонентом, передающим энергию с одной стороны на другую. Как упоминалось ранее, это устройство работает с входом переменного тока, а передача постоянного тока с помощью трансформатора невозможна. В этой статье полностью обсуждаются принципы работы трансформатора , включая теорию магнитного преобразования, эквивалентные схемы, различные типы магнитных сердечников и применение трансформаторов.

 

 

Трансформатор состоит из двух основных частей, включая магнитный сердечник и две или более обмоток. Источник переменного тока подается на одну обмотку в качестве входа, а выходное напряжение получается от другой, как показано на рисунке 1. Обмотки в основном изготавливаются из меди или алюминия из-за их приемлемой проводимости. Фактически, проводники намотаны на магнитный сердечник для создания магнитного поля в сердечнике трансформатора. В большинстве случаев магнитопровод также изготавливается из ферромагнитных материалов, т. е. из железа. Однако диамагнитные или немагнитные материалы, такие как воздух, дерево и пластик, используются для некоторых специальных целей.

 

Рис. 1. Различные части образца двухобмоточного трансформатора, включая магнитопровод и обмотки.

 

Когда катушка трансформатора подключена к источнику переменного напряжения, вокруг катушки создается переменное магнитное поле, как показано на рис. 2. Это магнитное поле создает магнитный поток, который проходит через сердечник, замыкая свой путь. Однако часть магнитного потока имеет тенденцию замыкать свой путь на более коротком пути, что означает путь вблизи катушки, а именно поток рассеяния. Величина генерируемого потока пропорциональна величине тока, протекающего через катушку, а направление потока основано на направлении тока в обмотке, которое можно получить по правилу правой руки. Это правило выражается в том, что когда пальцы сгибаются в полукруг вокруг провода в направлении тока, большой палец показывает направление магнитного потока. В идеальных условиях поток рассеяния равен нулю, и все генерируемые потоки проходят через магнитопровод. Когда магнитный поток проходит через катушку, на клеммах катушки генерируется напряжение, что является наиболее важной концепцией трансформатора. Следовательно, когда поток сердечника проходит через вторичную обмотку на следующем рисунке, на ее выводах будет генерироваться напряжение. Таким образом, входная мощность передается от первичной обмотки к вторичной обмотке без какого-либо электрического соединения. На самом деле мощность передается магнитным путем и магнитным сердечником. Таким образом, говорят, что напряжение индуцируется во вторичной обмотке. Величина индуцированного напряжения во вторичной обмотке напрямую связана с числом витков обмотки, которое может быть определено на этапе проектирования.

 

Рисунок 2: Различные потоки в однофазном трансформаторе сердечник трансформатора типа, обмотка окружена сердечником, но тип сердечника отличается тем, что сердечник трансформатора окружен обмоткой. Чтобы получить максимальную магнитную связь, в конструкции сердечника обмотки чередуются и концентрируются. Это означает, что обмотка НН в стержневой конструкции расположена рядом с сердечником, а затем вокруг обмотки НН намотана обмотка ВН (обмотка ВН огибает обмотку НН). Есть несколько причин для такой конфигурации обмотки. Первая причина заключается в том, что обмотка НН имеет более низкое напряжение и требуется меньшая изоляция для отделения обмотки НН от заземленного сердечника. Более того, поскольку через обмотку НН протекает более высокий ток, расположение этой обмотки вблизи сердечника приводит к меньшим потерям из-за меньшего сопротивления и средней длины обмотки. Однако конфигурация обмотки в оболочечной конструкции отличается и называется конфигурацией сэндвич-обмоток. В этой конфигурации обмотки ВН и НН расположены друг над другом, что похоже на сэндвич. Схема конфигурации представлена ​​на рис. 3. Таким образом, несмотря на конфигурацию обмоток в сердечниковом исполнении, обмотки как НН, так и ВН намотаны вокруг сердечника с соответствующей изоляцией между обмотками и сердечником трансформатора.

 

При том же напряжении корпусная конструкция требует большей изоляции, поскольку обмотка ВН должна быть изолирована от сердечника. Однако в конструкции с сердечником только обмотка НН должна быть изолирована от сердечника, для которого требуется меньше изоляции. Поэтому для приложений с высоким напряжением и малой мощностью предпочтительнее конструкция с сердечником. И наоборот, корпусная конструкция используется для трансформаторов большой мощности и низкого напряжения. Кроме того, охлаждение более эффективно в конструкции с сердечником. Наконец, как упоминалось ранее, в оболочечной конструкции обмотка окружена сердечником, который может защитить обмотку от механических воздействий.

 

Рисунок 3. Различные типы сердечника трансформатора: с сердечником (слева) и с сердечником (справа) можно записать в виде:

 

(1)

Когда первичная обмотка подключена к изменяющемуся во времени напряжению, в сердечнике устанавливается изменяющийся во времени поток Ф
. Наведенное напряжение будет равно приложенному напряжению, если сопротивлением обмотки пренебречь, и на основании закона Фарадея первичное напряжение (V1) может быть достигнуто за счет:

 

(2)

Аналогично, индуцированное напряжение во вторичной обмотке может быть получено как:

 

(4)

что означает, что первичное и вторичное напряжения пропорциональны соотношению числа витков трансформатора. Кроме того, согласно уравнению 1, первичный и вторичный токи также пропорциональны коэффициенту трансформации трансформатора как:

 

(5)

После понимания напряжений и токов обмоток трансформатора импеданс является еще одним важным параметром, который необходимо исследовать на каждой стороне трансформатора. Когда трансформатор подключен к импедансу, подобному нагрузке, и к первичной стороне приложено напряжение, импеданс нагрузки может быть записан как:

 

(6)

:

(7)

Таким образом, входной импеданс можно изменить на основе уравнений 4, 5 и 6 следующим образом:

 

(8) трансформатор для более простых вычислений.

 

 

В идеальном трансформаторе сопротивления трансформатора пренебрежимо малы, потоки рассеяния или рассеяния равны нулю, ток возбуждения для создания потока в сердечнике также пренебрежимо мал. Однако эти предположения неверны для реальных трансформаторов. Следовательно, пренебрегаемые параметры исследуются в следующих разделах. На рисунке 4 показана эквивалентная схема практического трансформатора. Фактически, практический трансформатор состоит из идеального трансформатора, сопротивлений первичной и вторичной обмоток и индуктивностей рассеяния на каждой стороне трансформатора. Коэффициент трансформации равен .

 

Рисунок 4: Эквивалентная схема трансформатора, применяемого на практике . В практическом магнитном сердечнике с конечной магнитной проницаемостью требуется ток намагничивания, чтобы установить магнитный поток в сердечнике. Этот эффект может быть представлен намагничивающей индуктивностью. Кроме того, потери в сердечнике в магнитном материале могут быть представлены сопротивлением .

 

Интересно, что хорошо спроектированный трансформатор имеет КПД около 99 процентов. Эффективность можно рассчитать как:

 

(9)

, где входная мощность представляет собой комбинацию выходной мощности и потерь. Следовательно, различные типы потерь трансформатора определяются как потери в обмотке и в сердечнике. Следовательно, эффективность можно переписать следующим образом:

 

(10)

Потери в обмотке обусловлены сопротивлением обмотки. Потери в сердечнике включают вихревые и гистерезисные потери.

 

 

В трансформаторе обмотки электрически изолированы, а обмотки связаны магнитно. Однако существует особое соединение трансформатора, которое называется автотрансформатором. В этом типе трансформатора переменное напряжение переменного тока может быть получено на вторичной обмотке. В отличие от двухобмоточного трансформатора, рассмотренного ранее, первичная и вторичная обмотки автотрансформатора физически соединены. Однако основной принцип работы такой же, как и у двухобмоточного трансформатора.

 

 

Как видно на рисунке 6, автотрансформатор аналогичен трансформатору, а коэффициент напряжения равен коэффициенту трансформации, что означает, что уравнение 4 справедливо для автотрансформатора. Кроме того, уравнение 5 также может быть использовано для автотрансформаторов. Единственное отличие состоит в том, что вторичное напряжение составляет часть первичной обмотки понижающего автотрансформатора, а клемма вторичной обмотки может охватывать первичную обмотку для создания переменного напряжения. Преимуществами автотрансформаторного подключения являются более низкие реактивные сопротивления рассеяния, меньшие потери, меньший ток возбуждения, повышенная номинальная мощность в кВА и переменное выходное напряжение, когда для вторичной обмотки используется скользящий контакт. Недостатком является прямое соединение между первичной и вторичной сторонами.

 

Рисунок 6: Образец понижающего автотрансформатора

 

 

Можно сказать, что трансформатор используется во всех устройствах и имеет широкий спектр применения. Например, силовой трансформатор является одним из наиболее важных устройств в энергосистеме, который изменяет уровни напряжения. Другое применение находится в электронике, такой как выпрямители, инверторы и другие преобразователи. Еще одним применением трансформатора является изоляция. В этом приложении коэффициент трансформации трансформатора в основном равен единице, потому что единственной задачей этого типа трансформатора является электрическое разделение первичной и вторичной цепей. Трансформатор также используется для измерения переменного тока и напряжения, которые называются трансформаторами тока (ТТ) и трансформаторами напряжения (ТН) соответственно. Помимо упомянутых применений, высокочастотные трансформаторы могут использоваться для питания рентгеновского излучения.