Что такое трансформатор: устройство, принцип работы и назначение

Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

Трансформаторы играют важную роль в энергетике и электротехнике. Они широко применяются в электрических сетях для передачи и распределения электроэнергии, а также для питания различных электроприборов и устройств.

С помощью трансформаторов можно эффективно преобразовывать напряжение переменного тока — как повышать, так и понижать его величину. Это дает возможность передавать электроэнергию на большие расстояния при высоком напряжении, а затем понижать его для безопасного использования.

transformator

В этой статье мы рассмотрим устройство и принцип работы трансформаторов, их основные типы и характеристики. Также речь пойдет об областях применения трансформаторов в промышленности и быту.

Устройство трансформатора

Устройство трансформатора состоит из трех основных частей:

  1. Магнитопровод (сердечник).

Магнитопровод служит для создания замкнутого магнитного пути и концентрации магнитного потока. Он изготавливается из ферромагнитных материалов, таких как электротехническая сталь или феррит.

Существуют разные конструкции магнитопровода:

  • Стержневой (магнитопровод цилиндрической или прямоугольной формы);
  • Броневой;
  • Тороидальный (замкнутый).

Иллюстрации разных типов магнитопроводов трансформатора.

  1. Обмотки.

Обмотки представляют собой изолированный проводник (чаще медный), намотанный на сердечник в виде катушки.

Различают первичную (входную) и вторичные (выходные) обмотки. Обмотки изолируют друг от друга и от сердечника.

Существуют разные способы намотки обмоток на сердечник: цилиндрическая, дисковая, пластинчатая и др.

Разные способы намотки обмоток на сердечник трансформатора.

  1. Корпус.

Корпус защищает обмотки и магнитопровод от механических воздействий и доступа внешних предметов. Корпус часто выполняется из тонкой стали или алюминия, имеет ребра охлаждения.

Корпус может быть открытым или закрытым. В закрытых корпусах трансформаторы заливаются трансформаторным маслом для охлаждения и изоляции.

Таковы основные элементы конструкции трансформатора. Их сочетание во многом определяет свойства и характеристики трансформатора.

Принцип работы трансформатора

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции — возникновении электрического тока в замкнутом проводнике при изменении магнитного потока.

Основными элементами трансформатора являются:

  • Первичная обмотка — к ней подводится переменный ток от источника питания.
  • Вторичная обмотка — в ней наводится переменное напряжение за счет электромагнитной индукции.
  • Магнитопровод — сердечник, на котором размещаются обмотки. Он создает замкнутый магнитный путь для магнитного потока.

При подаче переменного тока на первичную обмотку вокруг нее возникает переменный магнитный поток. Этот поток пронизывает обе обмотки трансформатора. Во вторичной обмотке за счёт изменения магнитного потока возникает ЭДС индукции, которая и является источником напряжения во вторичной цепи.

Схема магнитного потока в трансформаторе.

Величина напряжения на вторичной обмотке зависит от соотношения числа витков в первичной и вторичной обмотках. Это соотношение называется коэффициентом трансформации.

Таким образом, за счет преобразования числа витков можно регулировать выходное напряжение трансформатора — как повышать, так и понижать его значение по сравнению с входным напряжением.

ulichniy transformator

Основные характеристики трансформатора

К основным характеристикам трансформатора относятся:

  1. Коэффициент трансформации.

Коэффициент трансформации показывает отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной. Обозначается буквой К.

K = w1 / w2

где w1 — число витков первичной обмотки w2 — число витков вторичной обмотки

От коэффициента трансформации зависит степень повышения или понижения напряжения на выходе трансформатора.

  1. КПД трансформатора.

Показывает отношение полезной мощности на выходе к полной потребляемой мощности на входе.

КПД характеризует эффективность работы трансформатора и его потери. Для современных трансформаторов КПД может достигать 98-99%.

  1. Потери в трансформаторе.

Выделяют два вида потерь:

  • Потери в меди (обмотках) — зависят от тока нагрузки.
  • Потери в стали (магнитопроводе) — зависят от напряжения.

Потери в трансформаторе формулы.

Потери в трансформаторе обычно изображаются с помощью графика, где по оси X откладывается ток нагрузки, а по оси Y — величина потерь. Потери в меди (обмотках) пропорциональны квадрату тока, поэтому на графике они изображаются параболической кривой, идущей из начала координат. Потери в стали практически не зависят от тока нагрузки, поэтому на графике они показаны горизонтальной прямой линией. Суммарные потери в трансформаторе равны сумме этих двух составляющих. На графике это будет кривая, идущая выше прямой линии потерь в стали.

Потери в меди зависят от тока нагрузки и измеряются в ваттах. Чем выше ток нагрузки, тем больше потери в обмотках. Потери в стали зависят от напряжения и также измеряются в ваттах. Потери в сердечнике обусловлены перемагничиванием стали и вихревыми токами. Общие потери трансформатора при заданных токе и напряжении равны сумме потерь в меди и потерь в стали и выражаются в ваттах или киловаттах.

Например:

  • Потери в меди при токе 5 А — 200 Вт.
  • Потери в стали при напряжении 220 В — 300 Вт.
  • Полные потери трансформатора — 200 + 300 = 500 Вт или 0,5 кВт.

Измеряя потери в ваттах или киловаттах, можно оценить КПД трансформатора и оптимизировать его работу.

Рассмотренные характеристики в совокупности определяют основные рабочие параметры любого трансформатора.

Типы трансформаторов

Трансформаторы классифицируются по ряду признаков:

  1. По назначению:
  • Силовые — используются в электросетях, электроприводах. Предназначены для передачи больших мощностей.
  • Осветительные — применяются для питания осветительных сетей.
  • Измерительные — используются в измерительных приборах и устройствах.
  • Сварочные — предназначены для стабилизации дуги при электросварке.
  • Импульсные — применяются в импульсных источниках питания.
  1. По роду тока:
  • Для переменного тока — основной тип, используется повсеместно.
  • Для постоянного тока — специальная конструкция, применяется реже.
  1. По способу охлаждения:
  • Сухие — охлаждаются воздухом или естественной конвекцией.
  • Масляные — охлаждаются и изолируются трансформаторным маслом.
  • С жидким диэлектриком — заполняются специальными жидкостями.
  1. По числу фаз:
  • Однофазные.
  • Трёхфазные.
  • Многофазные.

Многофазные трансформаторы применяются в специальных силовых установках, где требуется повышенная надежность и отказоустойчивость. При выходе из строя одной фазы, остальные продолжают работать. Также многофазные трансформаторы могут использоваться для преобразования многофазной системы в другую многофазную систему с другим числом фаз, но в большинстве обычных применений используются всё же однофазные и трёхфазные трансформаторы.

Такое разнообразие трансформаторов позволяет использовать их в самых разных областях электротехники.

Области применения трансформаторов

Трансформаторы широко применяются в различных областях:

  • Электроэнергетика — для передачи и распределения электроэнергии в электрических сетях. Используются мощные силовые трансформаторы на подстанциях для повышения/понижения напряжения.
  • Промышленность — для питания промышленного оборудования, установок, электроприводов. Применяются силовые трансформаторы.
  • Освещение — в системах освещения зданий, улиц, производственных помещений используются осветительные трансформаторы для питания ламп.
  • Электроника — импульсные и высокочастотные трансформаторы применяются в источниках питания, усилителях, передатчиках.
  • Электротермия — сварочные трансформаторы используются в электросварочном оборудовании для стабилизации и регулировки сварочного тока.
  • Измерительная техника — измерительные трансформаторы служат для передачи сигналов измерительной информации приборам.
  • Электротранспорт — тяговые трансформаторы применяются для питания электродвигателей на электровозах, трамваях и т.д.

Трансформаторы играют ключевую роль во многих областях, связанных с производством, передачей и потреблением электроэнергии.

Заключение

В заключение отметим, что трансформатор является одним из важнейших устройств в электротехнике, позволяющим эффективно преобразовывать электрическую энергию.

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции и взаимодействии магнитного потока с обмотками. За счет изменения числа витков можно регулировать величину напряжения на выходе.

Конструктивно трансформатор состоит из магнитопровода, двух или более обмоток и корпуса. От типа обмоток, сердечника и схемы соединения зависят основные характеристики трансформатора.

Существует множество типов трансформаторов, что позволяет использовать их в самых разных областях электротехники и энергетики.

Трансформаторы играют ключевую роль в передаче, распределении и потреблении электроэнергии. Их применение помогает оптимально передавать электроэнергию на большие расстояния и эффективно использовать ее потребителями.

Похожие статьи:
Ссылка на основную публикацию
OdinElectric.ru - Сайт об электрике и для электриков