Что такое трансформатор, его устройство, принцип действия и назначение

Трансформатор представляет собой электромагнитное устройство, применяемое для преобразования переменного тока одного напряжения и частоты в переменный ток другого (или равного) напряжения и той же частоты.

Устройство и работа трансформатора

Схема трансформатора.

В простейшем случае трансформатор содержит одну первичную обмотку с количеством витков W1 и одну вторичную с количеством витков W2. Энергия подводится к первичной обмотке, нагрузка подключается к вторичной. Передача энергии производится путём электромагнитной индукции. Для усиления электромагнитной связи в большинстве случаев обмотки располагают на замкнутом сердечнике (магнитопроводе).

Если в первичную обмотку подать переменное напряжение U1, то в ней возникнет переменный ток I1, создающий в сердечнике магнитный поток Ф той же формы. Этот магнитный поток индуцирует ЭДС во вторичной обмотке. Если во вторичную цепь подключить нагрузку, в ней возникнет вторичный ток I2.

Напряжение во вторичной обмотке определяется соотношением витков W1 и W2:

U2=U1*(W1/W2)=U1/k, где k – коэффициент трансформации.

Если k<1, то U2>U1, и такой трансформатор называется повышающим. Если k>1, то U2<U1, такой трансформатор называется понижающим. Так как выходная мощность трансформатора равна входной (за вычетом потерь в самом трансформаторе), можно говорить о том, что Рвых=Pвх, U1*I1=U2*I2 и I2=I1*k=I1*(W1/W2). Таким образом, в трансформаторе без потерь входное и выходное напряжение прямо пропорциональны отношению витков обмоток. А токи обратно пропорциональны этому соотношению.

У трансформатора может быть больше одной вторичной обмотки с разным коэффициентом трансформации. Так, у трансформатора для питания бытовой ламповой аппаратуры от сети 220 вольт может быть одна вторичная обмотка, например, на 500 вольт для питания анодных цепей и на 6 вольт для питания цепей накаливания. В первом случае k<1, во втором – k>1.

Трансформатор работает только с переменным напряжением – для возникновения ЭДС во вторичной обмотке магнитный поток должен изменяться.

Типы сердечников для трансформаторов

На практике используются сердечники не только указанной формы. В зависимости от назначения устройства магнитопроводы могут выполняться по-разному.

Стержневые сердечники

Магнитопроводы низкочастотных трансформаторов изготавливают из стали с выраженными магнитными свойствами. Для уменьшения вихревых токов массив сердечника набирают из отдельных пластин, электрически изолированных друг от друга. Для работы на высоких частотах применяют другие материалы, например, ферриты.

Рассмотренный выше сердечник называется стержневым и состоит из двух стержней. Для однофазных трансформаторов применяют и трехстержневые магнитопроводы. У них меньше магнитный поток рассеяния и выше КПД. В этом случае и первичная и вторичная обмотки располагаются на центральном стержне сердечника.

Трёхстержневые магнитопроводы у трансформатора.

Также на трёхстержневых сердечниках выполняют трехфазные трансформаторы. У них первичная и вторичная обмотки каждой фазы располагаются каждая на своём сердечнике. В некоторых случаях применяются пятистержневые магнитопроводы. У них обмотки располагаются точно также – первичная и вторичная каждая на своём стержне, а два крайних стержня с каждой стороны предназначены только для замыкания магнитных потоков в определенных режимах.

Пятистержневые магнитопроводы у трансформатора.

Броневые

В броневом сердечнике выполняют однофазные трансформаторы – обе катушки располагают на центральном стержне магнитопровода. Магнитный поток в таком сердечнике замыкается аналогично трехстержневому конструктиву — через боковые стенки. Поток рассеяния при этом очень мал.

Броневой сердечник трансформатора.

К плюсам такой конструкции относят некоторый выигрыш по габаритам и весу за счёт возможности более плотного заполнения окна сердечника обмоткой, поэтому броневые сердечники выгодно применять для изготовления маломощных трансформаторов. Следствием этого также является более короткая магнитная цепь, что ведёт к уменьшению потерь холостого хода.

Недостатком считается более сложный доступ к обмоткам для ревизии и ремонта, а также повышенная сложность изготовления изоляции для высоких напряжений.

Тороидальные

У тороидальных сердечников магнитный поток полностью замыкается внутри сердечника, и магнитный поток рассеяния практически отсутствует. Но такие трансформаторы сложны в намотке, поэтому их применяют достаточно редко, например, в регулируемых автотрансформаторах небольшой мощности или в высокочастотных устройствах, где важна помехозащищенность.

Магнитный поток в тороидальном сердечнике.
Магнитный поток в тороидальном сердечнике

Автотрансформатор

В некоторых случаях целесообразно применять такие трансформаторы, у которых между обмотками имеется не только магнитная связь, но и электрическая. То есть, в повышающих устройствах первичная обмотка является частью вторичной, а в понижающих – вторичная частью первичной. Такое устройство называется автотрансформатором (АТ).

Понижающий автотрансформатор не является простым делителем напряжения – в передаче энергии во вторичную цепь участвует и магнитная связь.

Повышающий и понижающий автотрансформатор.

Плюсами автотрансформаторов являются:

  • меньшие потери;
  • возможность плавного регулирования напряжения;
  • меньшие массогабаритные показатели (автотрансформатор дешевле, его проще транспортировать);
  • меньшая стоимость за счёт меньшего потребного количества материала.

К минусам относят необходимость применения изоляции обеих обмоток, рассчитанной на высшее напряжение, а также отсутствие гальванической развязки между входом и выходом, что может перенести воздействие атмосферных явлений из первичной цепи во вторичную. При этом элементы вторичной цепи нельзя заземлять. Также недостатком АТ считают повышенные токи короткого замыкания. У трехфазных автотрансформаторов обмотки обычно соединяют в звезду с заземленной нейтралью, другие схемы соединения возможны, но слишком сложны и громоздки. Это тоже является недостатком, сужающим область применения автотрансформаторов.

Применение трансформаторов

Свойство трансформаторов повышать или понижать напряжение широко используется в промышленности и в быту.

Трансформация напряжения

К уровню промышленного напряжения на разных стадиях предъявляются разные требования. При выработке электроэнергии применять генераторы высокого напряжения по разным причинам невыгодно. Поэтому, например, на ГЭС применяют генераторы на 6…35 кВ. Для транспортировки электроэнергии, наоборот, нужно повышенное напряжение – от 110 кВ до 1150 кВ в зависимости от расстояния. Далее это напряжение вновь понижается до уровня 6…10 кВ, распределяется до местных подстанций, откуда понижается до 380(220) вольт и приходит к конечному потребителю. В бытовых и промышленных приборах его надо ещё понизить, обычно до 3…36 вольт.

Все эти операции производятся с помощью силовых трансформаторов. Они могут иметь сухое или масляное исполнение. Во втором случае сердечник с обмотками помещен в бак с маслом, которое является изолирующей и охлаждающей средой.

Трансформация напряжения.

Гальваническая развязка

Гальваническая развязка повышает безопасность электрических приборов. Если питать устройство не непосредственно от сети 220 вольт, где один из проводников соединен с землей, а через трансформатор 220/220 вольт, то напряжение питания останется тем же. Но при одновременном касании земли и вторичных токоведущих частей контура для протекания тока не будет, и опасность поражения током будет намного ниже.

Измерение напряжения

Во всех электроустановках надо контролировать уровень напряжения. Если используется класс напряжения до 1000 вольт, то вольтметры присоединяются к токоведущим частям непосредственно. В электроустановках выше 1000 вольт так не получится – приборы, выдерживающие такое напряжение получаются слишком громоздкими и небезопасными в случае пробоя изоляции. Поэтому в таких системах вольтметры присоединяются к проводникам высокого напряжения через трансформаторы с удобным коэффициентом трансформации. Например, для сетей 10 кВ используются измерительные трансформаторы 1:100, на выходе получается стандартное напряжение 100 вольт. Если напряжение на первичной обмотке изменяется по амплитуде, оно одновременно меняется и на вторичке. Шкала вольтметра обычно градуируется в диапазоне первичного напряжения.

Трансформатор является достаточно сложным и дорогим элементом для производства и обслуживания. Однако во многих областях эти устройства незаменимы, и альтернативы им нет.

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