На каком законе электротехники основан принцип действия трансформатора

Простейший трансформатор 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.

трансформатор

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.

однообмоточные автотрансформаторы

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.

Как работает трансформатор?

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.

трансформаторы тока

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

Первым трансформатором 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.

транзиентный трансформатор

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 id=137″ rel=»nofollow»>light-fizika.ru

Общее устройство и принцип работы

Рассмотрим конструкцию простого трансформатора, с двумя катушками насаженных на замкнутый магнитопровод (см. Рис. 2). Катушку, на которую поступает ток, будем называть первичной, а выходную катушку – вторичной.

Устройство трансформатора

Фактически все типы трансформаторов используют электромагнитную индукцию для преобразования напряжения поступающего в цепь первичной обмотки. При этом выходное напряжение снимается из вторичных обмоток. Они различаются только по форме, материалам магнитопроводов и способам наматывания катушек.

Ферромагнитные сердечники применяются в низкочастотных моделях. Для таких сердечников используются материалы:

В некоторых высокочастотных моделях магнитопроводы могут отсутствовать, а в некоторых изделиях применяют материалы из высокочастотного феррита или альсифера.

В связи с тем, что для характеристик ферромагнетиков характерна нелинейность намагничивания, сердечники набирают из листовых материалов, на которые надевают обмотки. Нелинейная индуктивность приводит к гистерезису, для уменьшения которого применяют метод шихтования магнитопроводов.

Форма сердечника может быть Ш-образной или торроидальной.

Базовые принципы действия

Когда на выводы первичных обмоток поступает синусоидальный ток, то он во второй катушке создает переменное магнитное поле, пронизывающее магнитопровод. В свою очередь, изменение магнитного потока провоцирует наведение ЭДС в катушках. При этом величина напряжения ЭДС в обмотках находится в пропорциональной зависимости от количества витков и частоты тока. Отношение количества витков в цепи первичной обмотки к числу витков вторичной катушки называется коэффициентом трансформации: k = W1 / W2, где символами W1 и W2 обозначено количество витков в катушках.

Режимы работы

Силовой трансформатор может работать в трех режимах:

  • в состоянии холостого хода;
  • в режиме нагрузки;
  • в короткозамкнутом режиме.

Поскольку в цепи разомкнутой вторичной обмотки отсутствует ток, то в таком состоянии по первичной обмотке циркулирует ток холостого хода. Параметры этого тока используют при расчетах КПД, определяют коэффициент трансформации, находят потери в сердечнике.

Основным рабочим режимом трансформатора является состояние, когда к его второй обмотке подключена номинальная нагрузка. Первичный ток можно выразить через результирующую тока холостого хода и расчетного тока сопротивления нагрузки.

В режиме короткого замыкания вторичной обмотки, вся мощность концентрируется в цепях обмоток. В таком состоянии можно определить потери, расходуемые на нагревание проводов в обмотках.

Технические характеристики

Важной характеристикой являются коэффициенты трансформации. Они показывают зависимость выходного напряжения от соотношения витков в обмотках. Коэффициент трансформации является базовым параметром при расчете.

Другая важная характеристика трансформатора – его КПД. В некоторых аппаратах этот показатель составляет 0,9 – 0,98, что характеризует незначительные потери магнитных полей рассеяния. Мощность P зависит от площади S сечения магнитопровода. По значению S, при расчетах параметров трансформатора, определяют количество витков в катушках: W = 50 / S.

На практике мощность выбирают исходя из предполагаемой нагрузки, с учетом потерь в сердечнике. Мощность вторичной обмотки Pн= Uн× Iн, а мощность первичной катушки Pс= Uс× Iс. В идеале Pн = Pс (если пренебречь потерями в сердечнике). Тогда k = Uс / Uн = Iс / Iн , то есть, токи в каждой из обмоток имеют обратно пропорциональную зависимость от их напряжений, следовательно, и от количества витков.

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.

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.

  • 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.

На каком законе основан принцип действия трансформатора

Принцип действия трансформатора основан на электромагнитном взаимодействии двух или в общем случае нескольких электрически несвязанных и неподвижных друг относительно друга контуров. Если одну из обмоток присоединить к сети неременного тока, то под действием переменного магнитного поля в другой обмотке, магнитно связанной с первой, индуктируется эдс. [10]

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. [11]

Принцип действия трансформатора основан на использовании явления электромагнитной индукции. [12]

Принцип действия трансформаторов основан на законе электромагнитной индукции. Трансформатор представляет собой статическое электромагнитное устройство, преобразующее электрическую энергию переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока той же частоты, но другого напряжения. [14]

Принцип действия трансформаторов основан на явлении взаимной индукции: переменное магнитное поле тока в первичной обмотке вызывает появление ЭДС индукции во вторичной обмотке. [15]

На каком законе физики основан принцип действия трансформатора?

На законе электромагнитной индукции и явлении взаимной индукции.

Закон электромагнитной индукции. Формула. Определение.

image001 Домострой

Электродвижущая сила индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

Трансформатор – источник энергии или преобразователь?

Трансформатор – преобразователь эл.энергии переменного тока одного напряжения в другое напряжение.

Чем отличается стержневой трансформатор от бронестержневого?

Стержневой имеет 2 ярма, бронестержневой – развитой ярмо, которое частично закрывает обмотки.

Будет ли работать трансформатор, если стальной сердечник заменить на деревянный?

Будет.

Чем отличаются галетные обмотки от концентрических?

Концентрические обмотки выполняются каждая в виде цилиндра и располагаются на стержне концентрически относительно друг друга(первичная внутри вторичной), галетные –также виде цилиндра, располагаются вторичная между первичными.

Почему сердечник набирается из стальных листов, а не делается сплошным?

Потому что, чем больше толщина сплошного стального листа, тем больше потери на вихревые токи.

Для чего делают транспозицию проводников обмоток?

Для выравнивания полных сопротивлений проводов во избежание неравномерного распределения тока в винтовой обмотке.

Какие функции выполняет трансформаторное масло?

1) Охлаждение обмоток и магнитопровода трансформатора.

2) Повышает электрическую прочность изоляции обмоток трансформатора, предотвращает увлажнение изоляции и потерю изоляционных свойств под влиянием атмосферных воздействий.

Для чего устанавливают газовое реле в трансформаторах с масляным охлаждением?

Для защиты от аварий (при значительном выделении взрывоопасных газов, возникающих в результате разложения масла, реле автоматически выключает трансформатор, предупреждая развитие аварии). Используется в трансформаторах мощностью более 1000 кВ*А.

Для чего служит первичная обмотка в трансформаторах?

Для создания переменного магнитного потока (при подключении к сети в первичной обмотке возникает переменный ток, который создает переменный магнитный поток, который, в свою очередь индуцирует в обеих обмотках переменные ЭДС).

Уравнение трансформаторной ЭДС. Формула.

image002 Домострой

f – частота приложенного напряжения

w — количество витков обмотки

Фm – Амплитуда магнитного потока

Коэффициент трансформации. Формула.

image003 Домострой

ЕВН – ЭДС обмотки высшего напряжения

ЕНН – ЭДС обмотки низшего напряжения

wВН – число витков обмотки высшего напряжения

wНН – число витков обмотки низшего напряжения

Поток рассеяния. Определение.

Поток, образованный замыканием магнитных линий по немагнитной среде, не принимающий участия в трансформировании энергии.

(Основной магнитный поток пронизывает витки как первичной, так и вторичной обмоток. Некоторая часть магнитных линий замыкается по немагнитной среде, образуя потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток.

Потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток обычно очень малы по сравнению с основным магнитным потоком, так как магнитные линии потоков рассеяния замыкаются через воздух (или другой изоляционный материал) и встречают на своем пути очень большое магнитное сопротивление, тогда как основной магнитный поток замыкается по стали магнитопровода и встречает, на своем пути относительно малое магнитное сопротивление).

Угол сдвига фаз между ЭДС и магнитным потоком. Число.

сдвиг фаз между E и Ф м = равен 90°

image012 Домострой

Угол сдвига фаз между намагничивающим током и магнитным потоком. Число.

Намагничивающий ток , т.е. реактивная составляющая Iр, совпадает по фазе с магнитным потоком в сердечнике

сдвиг фаз между составляющими . активной Iа и Iр равен 90°.

От чего зависят потери на гистерезис?

Чем отличается Т- образная схема замещения трансформатора от Г- образной?

image046 Домострой

image047 Домострой

На каком законе физики основан принцип действия трансформатора?

На законе электромагнитной индукции и явлении взаимной индукции.

strelkahead Домострой

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

На законе электромагнитной индукции и явлении взаимной индукции.

2. Закон электромагнитной индукции. Формула. Определение.

img vlo1hH Домострой

Электродвижущая сила индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

3. Трансформатор – источник энергии или преобразователь?

Трансформатор – преобразователь эл.энергии переменного тока одного напряжения в другое напряжение.

4. Чем отличается стержневой трансформатор от бронестержневого?

Стержневой имеет 2 ярма, бронестержневой – развитой ярмо, которое частично закрывает обмотки.

5. Будет ли работать трансформатор, если стальной сердечник заменить на деревянный?

6. Чем отличаются галетные обмотки от концентрических?

Концентрические обмотки выполняются каждая в виде цилиндра и располагаются на стержне концентрически относительно друг друга(первичная внутри вторичной), галетные –также виде цилиндра, располагаются вторичная между первичными.

7. Почему сердечник набирается из стальных листов, а не делается сплошным?

Потому что, чем больше толщина сплошного стального листа, тем больше потери на вихревые токи.

8. Для чего делают транспозицию проводников обмоток?

Для выравнивания полных сопротивлений проводов во избежание неравномерного распределения тока в винтовой обмотке.

9. Какие функции выполняет трансформаторное масло?

1) Охлаждение обмоток и магнитопровода трансформатора.

2) Повышает электрическую прочность изоляции обмоток трансформатора, предотвращает увлажнение изоляции и потерю изоляционных свойств под влиянием атмосферных воздействий.

10. Для чего устанавливают газовое реле в трансформаторах с масляным охлаждением?

Для защиты от аварий (при значительном выделении взрывоопасных газов, возникающих в результате разложения масла, реле автоматически выключает трансформатор, предупреждая развитие аварии). Используется в трансформаторах мощностью более 1000 кВ*А.

11. Для чего служит первичная обмотка в трансформаторах?

Для создания переменного магнитного потока (при подключении к сети в первичной обмотке возникает переменный ток, который создает переменный магнитный поток, который, в свою очередь индуцирует в обеих обмотках переменные ЭДС).

12. Уравнение трансформаторной ЭДС. Формула.

img Ykf7e4 Домострой

f – частота приложенного напряжения

w — количество витков обмотки

Фm – Амплитуда магнитного потока

13. Коэффициент трансформации. Формула.

img iMWvds Домострой

ЕВН – ЭДС обмотки высшего напряжения

ЕНН – ЭДС обмотки низшего напряжения

wВН – число витков обмотки высшего напряжения

wНН – число витков обмотки низшего напряжения

14. Поток рассеяния. Определение.

Поток, образованный замыканием магнитных линий по немагнитной среде, не принимающий участия в трансформировании энергии.

(Основной магнитный поток пронизывает витки как первичной, так и вторичной обмоток. Некоторая часть магнитных линий замыкается по немагнитной среде, образуя потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток.

Потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток обычно очень малы по сравнению с основным магнитным потоком, так как магнитные линии потоков рассеяния замыкаются через воздух (или другой изоляционный материал) и встречают на своем пути очень большое магнитное сопротивление, тогда как основной магнитный поток замыкается по стали магнитопровода и встречает, на своем пути относительно малое магнитное сопротивление).

§63. Назначение и принцип действия трансформатора

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Трансформаторы позволяют значительно повысить напряжение, вырабатываемое источниками переменного тока, установленными на электрических станциях, и осуществить передачу электроэнергии на дальние расстояния при высоких напряжениях (110, 220, 500, 750 и 1150 кВ). Благодаря этому сильно уменьшаются потери энергии в проводах и обеспечивается возможность значительного уменьшения площади сечения проводов линий электропередачи.

В местах потребления электроэнергии высокое напряжение, подаваемое от высоковольтных линий электропередачи, снова понижается трансформаторами до сравнительно небольших значений (127, 220, 380 и 660 В), при которых работают электрические потребители, установленные на фабриках, заводах, в депо и жилых домах. На э. п. с. переменного тока трансформаторы применяют для уменьшения напряжения, подаваемого из контактной сети к тяговым двигателям и вспомогательным цепям.

Кроме трансформаторов, применяемых в системах передачи и распределения электроэнергии, промышленностью выпускаются трансформаторы: тяговые (для э. п. с), для выпрямительных установок, лабораторные с регулированием напряжения, для питания радиоаппаратуры и др. Все эти трансформаторы называют силовыми.

Трансформаторы используют также для включения электроизмерительных приборов в цепи высокого напряжения (их называют измерительными), для электросварки и других целей. Трансформаторы бывают однофазные и трехфазные, двух- и многообмоточные.

Принцип действия трансформатора.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из стального магнитопровода 2 (рис. 212) и двух расположенных на нем обмоток 1 и 3.

Рис. 212. Схема включения однофазного трансформатора

Рис. 212. Схема включения однофазного трансформатора

Обмотки выполнены из изолированного провода и электрически не связаны. К одной из обмоток подается электрическая энергия от источника переменного тока. Эту обмотку называют первичной. К другой обмотке, называемой вторичной, подключают потребители (непосредственно или через выпрямитель).

При подключении трансформатора к источнику переменного тока (электрической сети) в витках его первичной обмотки протекает переменный ток i1, образуя переменный магнитный поток Ф. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них переменные э. д. с. е1 и е2. Если к вторичной обмотке присоединен какой-либо приемник, то под действием э. д. с. е2 по ее цепи проходит ток i2.

Э. д. с, индуцированная в каждом витке первичной и вторичной обмоток трансформатора, согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока, пронизывающего виток, и скорости его изменения. Магнитный поток каждого трансформатора является определенной величиной, зависящей от напряжения и частоты изменения переменного тока в источнике, к которому подключен трансформатор. Постоянна также и скорость изменения магнитного потока, она определяется частотой изменения переменного тока.

Следовательно, в каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется одинаковая э. д.с. В результате этого отношение действующих значений э. д. с. Е1 и E2, индуцированных в первичной и вторичной обмотках трансформатора, будет равно отношению чисел витков N1 и N2 этих обмоток, т. е.

Отношение э. д. с. Евн обмотки высшего напряжения к э. д. с. Eнн обмотки низшего напряжения (или отношение чисел их витков) называется коэффициентом трансформации,

Коэффициент трансформации всегда больше единицы. Если пренебречь падениями напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора (в трансформаторах средней и большой мощности они не превышают обычно 2—5 % номинальных значений напряжений U1 и U2), то можно считать, что отношение напряжения U1 первичной обмотки к напряжению U2 вторичной обмотки приблизительно равно отношению чисел их витков, т. е.

Таким образом, подбирая требуемое соотношение между числами витков первичной и вторичной обмоток, можно увеличивать или уменьшать напряжение на приемнике, подключенном к вторичной обмотке. Если необходимо на вторичной обмотке получить напряжение большее, чем подается на первичную, то применяют повышающие трансформаторы, у которых число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной.

В понижающих трансформаторах, наоборот, число витков вторичной обмотки меньше, чем в первичной.

Трансформатор не может осуществить преобразование напряжения постоянного тока. При подключении его первичной обмотки к сети постоянного тока в трансформаторе создается постоянный по величине и направлению магнитный поток, который не может индуцировать э. д. с. в первичной и вторичной обмотках. Поэтому не будет происходить передачи электрической энергии из первичной обмотки во вторичную.

При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока через эту обмотку проходит некоторый ток, называемый током холостого хода. При включении нагрузки по вторичной обмотке трансформатора начинает проходить ток, при этом увеличивается и ток, проходящий по первичной обмотке.

Чем больше нагрузка трансформатора, т. е. электрическая мощность и ток i2, отдаваемые его вторичной обмоткой подключенным к ней приемникам, тем больше электрическая мощность и ток i1, поступающие из сети в первичную обмотку.

Ввиду того что потери мощности в трансформаторе обычно малы, можно приближенно принять, что мощности в первичной и вторичной обмотках одинаковы. В этом случае можно считать, что токи в обмотках трансформатора приблизительно обратно пропорциональны напряжениям: I1/I2 ≠ U2/U1 или что токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числам витков первичной и вторичной обмоток: I1/I2 ≠ N2/N1.

Это означает, что в повышающем трансформаторе ток во вторичной обмотке меньше, чем в первичной (во столько раз, во сколько напряжение U2 больше напряжения U1), а в понижающем ток во вторичной обмотке больше, чем в первичной.

Поэтому в трансформаторах обмотки высшего напряжения выполняются из более тонких проводов, чем обмотки низшего напряжения.

Принцип работы трансформатора.

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

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

Работа трансформатора без нагрузки

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

Работа трансформатора под нагрузкой

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

Формула магнитного потока

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

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

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

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

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

Схематичное изображение разделительного трансформатора

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

Схематичное изображение повышающего трансформатора

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

Схематичное изображение понижающего трансформатора

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

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

Устройство трансформатора.

2.1. Магнитопровод. Магнитные материалы.

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

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

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

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

Магнитопроводы из электротехнической стали

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

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

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

Магнитопроводы из сплавов с высокой магнитной проницаемостью

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

Магнитопроводы из магнитомягких прессованных ферритов

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

2.2. Типы магнитопроводов.

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

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

Магнитопровод из плоских шихтовых пластин

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

Трансформатор с ленточным магнитопроводом

Тороидальный трансформатор из ленточного магнитопровода

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

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

Схематичное изображение трансформатора стержневого типа

Трансформатор стержневого типа

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

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

Схематичное изображение трансформатора броневого типа

Трансформатор броневого типа

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

Тороидальные.

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

Схематичное изображение тороидального трансформатора

Тороидальный трансформатор

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

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

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

Новые формы магнитопроводов

На этом пока закончим. Продолжим во второй части.
Удачи!

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

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий