Трансформатор это в физике

Среди приборов переменного тока, нашедших широкое применение в технике, значительное место занимают трансформаторы. Принцип действия трансформаторов, применяемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из сердечника замкнутой формы из магнитомягкого материала, на который намотаны две обмотки: первичная и вторичная (рис. 2.5.1).

Первичная обмотка подсоединяется к источнику переменного тока с ЭДС e1 (t), поэтому в ней возникает ток J1 (t), создающий в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Φ, который практически без рассеивания циркулирует по замкнутому магнитному сердечнику и, следовательно, пронизывает все витки первичной и вторичной обмоток. В режиме холостого хода, то есть при разомкнутой цепи вторичной обмотки, ток в первичной обмотке весьма мал из-за большого индуктивного сопротивления обмотки. В этом режиме трансформатор потребляет небольшую мощность.

Ситуация резко изменяется, когда в цепь вторичной обмотки включается сопротивление нагрузки Rн, и в ней возникает переменный ток J2 (t). Теперь полный магнитный поток Φ в сердечнике создается обоими токами. Но согласно правилу Ленца магнитный поток Φ2, создаваемый индуцированным во вторичной обмотке током J2, направлен навстречу потоку Φ1, создаваемому током J1 в первичной обмотке: Φ = Φ1 – Φ2. Отсюда следует, что токи J1 и J2 изменяются в противофазе, то есть имеют фазовый сдвиг, равный 180°.

Другой важный вывод состоит в том, что ток J1 в первичной обмотке в режиме нагрузки значительно больше тока холостого хода. Это следует из того, что полный магнитный поток Φ в сердечнике в режиме нагрузки должен быть таким же, как и в режиме холостого хода, так как напряжение u1 на первичной обмотке в обоих случаях одно и то же. Это напряжение равно ЭДС источника e1 переменного тока. Так как магнитные потоки, пронизывающие обмотки, пропорциональны числу n1 и n2 витков в них, можно записать для первичной обмотки: e 1 + e 1 инд = 0 , u 1 = e 1 = — e 1 инд = n 1 d Φ d t ; для вторичной обмотки: u 2 = J 2 R н = e 2 инд , u 2 = — n 2 d Φ d t .

Следовательно, u 2 = — n 2 n 1 u 1 .

Знак минус означает, что напряжения u1 и u2 находятся в противофазе, также как и токи J1 и J2 в обмотках. Поэтому фазовый сдвиг φ1 между напряжением u1 и током J1 в первичной обмотке равен фазовому сдвигу φ2 между напряжением u2 и током J2 во вторичной обмотке. Если нагрузкой вторичной обмотки является активное сопротивление Rн, то φ1 = φ2 = 0.

Для амплитудных значений напряжений на обмотках можно записать: U 2 U 1 = n 2 n 1 = K .

Коэффициент K = n2 / n1 есть коэффициент трансформации. При K > 1 трансформатор называется повышающим, при K < 1– понижающим.

Приведенные выше соотношения, строго говоря, применимы только к идеальному трансформатору, в котором нет рассеяния магнитного потока и отсутствуют потери энергии на джоулево тепло. Эти потери могут быть связаны с наличием активного сопротивления самих обмоток и возникновением индукционных токов (токов Фуко) в сердечнике. Для уменьшения токов Фуко сердечники транформатора изготавливают обычно из тонких стальных листов, изолированных друг от друга. Существует еще один механизм потерь энергии, связанный с гистерезисными явлениями в сердечнике. При циклическом перемагничивании ферромагнитных материалов возникают потери электромагнитной энергии, прямо пропорциональные площади петли гистерезиса.

ПРОСТЫМ ЯЗЫКОМ: Что такое трансформатор?

У хороших современных трансформаторов потери энергии при нагрузках, близких к номинальным, не превышает 1–2 %, поэтому к ним приближенно применима теория идеального трансформатора.

Если пренебречь потерями энергии, то мощность P1, потребляемая идеальным трансформатором от источника переменного тока, равна мощности P2, передаваемой нагрузке. U 1 I 1 2 = U 2 I 2 2 , cos φ 1 = cos φ 2 = 1.

Отсюда следует, что I 1 I 2 = U 2 U 1 = n 2 n 1 = K , то есть токи в обмотках обратно пропорциональны числу витков.

Принимая во внимание, что U2 = RнI2, можно получить следующее соотношение U 1 I 1 = R н K 2

Отношение Rэкв = U1 / I1 можно рассматривать как эквивалентное активное сопротивление первичной цепи, когда вторичная обмотка нагружена на сопротивление Rн. Таким образом, трансформатор «трансформирует» не только напряжения и токи, но и сопротивления.

В современной технике нашли широкое применение трансформаторы различных конструкций. В радиотехнических устройствах используются небольшие, маломощные трансформаторы, имеющие обычно несколько обмоток (понижающих или повышающих напряжение источника переменного тока). В электротехнике часто применяются так называемые трехфазные трансформаторы, предназначенные для одновременного повышения или понижения трех напряжений, сдвинутых по фазе относительно друг друга на углы 120°.

Мощные трехфазные трансформаторы используются в линиях передач электроэнергии на большие расстояния.

Передача электрической энергии от электростанций до больших городов или промышленных центров на расстояния тысяч километров является сложной научно-технической проблемой.

Для уменьшения потерь на нагревание проводов необходимо уменьшить силу тока в линии передачи, и, следовательно, увеличить напряжение. Обычно линии электропередачи строятся в расчете на напряжение 400–500 кВ, при этом в линиях используется трехфазный ток частотой 50 Гц. На рис. 2.5.2 представлена схема линии передачи электроэнергии от электростанции до потребителя. Схема дает представление об использовании трансформаторов при передаче электроэнергии.

Следует отметить, что при повышении напряжения в линиях передач увеличиваются утечки энергии через воздух. В сырую погоду вблизи проводов линии может возникнуть так называемый коронный разряд, который можно обнаружить по характерному потрескиванию. Коэффициент полезного действия линий передач не превышает 90 %.

Назначение трансформаторов

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

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

Гигантский трансформатор

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

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

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

Принцип работы трансформатора

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

Кстати, в других статьях можно почитать, что такое фаза и ноль в электричестве.

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

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

Принцип устройства трансформатора

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

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

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

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

Определение трансформатора

Трансформатор – это электрическое устройство, которое используется для изменения напряжения переменного тока. Он состоит из двух или более обмоток, обычно намотанных на одно и то же железное сердце. Одна обмотка, называемая первичной обмоткой, подключается к источнику переменного напряжения, а другая обмотка, называемая вторичной обмоткой, подключается к нагрузке.

Основной принцип работы трансформатора основан на электромагнитной индукции. Когда переменный ток протекает через первичную обмотку, он создает переменное магнитное поле вокруг железного сердца. Это переменное магнитное поле воздействует на вторичную обмотку, индуцируя в ней переменное напряжение. Величина и соотношение напряжений на первичной и вторичной обмотках зависят от числа витков в каждой обмотке.

Трансформаторы широко используются в электроэнергетике для передачи электроэнергии на большие расстояния. Они также используются в электронике для изменения напряжения в различных устройствах и системах.

Принцип работы трансформатора

Трансформатор работает на основе принципа электромагнитной индукции. Он состоит из двух или более обмоток, намотанных на общее железное сердце. Обмотки обычно изолированы друг от друга и от сердца.

Когда переменный ток протекает через первичную обмотку, он создает переменное магнитное поле вокруг железного сердца. Это переменное магнитное поле воздействует на вторичную обмотку, индуцируя в ней переменное напряжение.

Принцип работы трансформатора основан на взаимоиндукции между обмотками. Когда переменный ток протекает через первичную обмотку, он создает переменное магнитное поле. Это переменное магнитное поле проникает через железное сердце и индуцирует переменное напряжение во вторичной обмотке.

Величина и соотношение напряжений на первичной и вторичной обмотках зависят от числа витков в каждой обмотке. Если число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной, то напряжение во вторичной обмотке будет больше, чем в первичной. Если число витков во вторичной обмотке меньше, чем в первичной, то напряжение во вторичной обмотке будет меньше, чем в первичной.

Трансформаторы могут быть использованы для повышения или понижения напряжения переменного тока. Таким образом, они позволяют эффективно передавать электроэнергию на большие расстояния и адаптировать напряжение к требованиям различных устройств и систем.

Статьи

Что такое трансформатор

Трансформа́тор (от лат. transformo — преобразовывать) — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений) переменного тока без изменения частоты системы (напряжения) переменного тока. Такое определение трансформатору дает ГОСТ 16110-82.

Трансформатор — это устройство, которое преобразует напряжения переменного тока и/или гальваническую развязку для различных нужд в областях электроэнергетики, электроники и радиотехники.

Конструктивно трансформатор состоит из одной, как в автотрансформаторах, или нескольких изолированных проволочных, либо ленточных обмоток (катушек), намотанных, обычно, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнито-мягкого материала, охватываемых при этом общим магнитным потоком.

Базовые принципы действия трансформатора

Работа трансформатора строится на двух базовых принципах:

  • Электромагнетизм — изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле;
  • Электромагнитная индукция — изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт электродвижущую силу (ЭДС) в этой обмотке.

Практически все современные трансформаторы работают по одному и тому же принципу. На одну из обмоток, которую называют первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. переменный ток, протекающий по первичной обмотке, создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе. Под действием электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, включая первичную, ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону относительно магнитного потока.

Некоторые трансформаторы, работающие на высоких или сверхвысоких частотах, не имеют магнитопровода.

Трансформаторы, как электромагнитныеустройства, имеют несколько режимов работы:

  • Режим холостого хода. Этот режим характеризуется разомкнутой вторичной цепью трансформатора, вследствие чего ток в ней не течёт. При помощи холостого хода определяют КПД трансформатора, коэффициент трансформации, а также потери в сердечнике.
  • Нагрузочный режим. Данный режим характеризуется замкнутой на нагрузке вторичной цепью трансформатора. Этот режим — основной рабочий для трансформатора.
  • Режим короткого замыкания. Такой режим получается как результат замыкания вторичной цепи накоротко. С помощью этого режима определяют потери полезной мощности на нагрев проводов в цепи трансформатора. Это учитывается в схеме замещения реального трансформатора при помощи активного сопротивления.

Тип трансформатора определяется при помощи коэффициента трансформации, значение которого рассчитывается как отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной:

При k >1 трансформатор будет понижающим, а при k < 1 повышающим.

ООО «ТД «Автоматика» уже более 10 лет поставляет трансформаторы различных типов предприятиям электроэнергетики и промышленности. Наша компания имеет партнерские отношения с большинством производителей трансформаторов и может предложить своим клиентам данные изделия по привлекательным ценам. Мы поможем вам правильно подобрать трансформатор, в полном соответствии с требованиями технической и проектной документации. Каталог трансформаторов постоянно обновляется. Кроме данного сайта, у нас имеется тематический сайт по трансформаторному оборудованию.

Характеристики первичной и вторичной обмоток

Первичная обмотка подсоединена к источнику переменного тока с ЭДС e 1 ( t ) , где имеет место возникновение тока J 1 ( t ) , создающего переменный магнитный поток Ф , располагаемый в сердечнике трансформатора. Ф циркулирует по замкнутому магнитному сердечнику, значит, проходит через все имеющиеся витки первичной и вторичной обмоток. Режим холостого хода характеризуется разомкнутой цепью для вторичной обмотки. Тогда ток из первичной мал по причине наличия индуктивного сопротивления обмотки. Данный режим наиболее оптимален для работы трансформатора, так как он потребляет минимальное количество мощности.

Когда вторичная обмотка получает сопротивление нагрузки R н , тогда ситуация приводит к возникновению переменного тока J 2 ( t ) . Создание полного магнитного потока Ф в сердечнике производится с помощью обоих токов. Исходя из правила Ленца, магнитный поток Φ 2 , созданный током J 2 из вторичной обмотки, направляется навстречу потоку Φ 1 , созданным током J 1 первичной обмотки. Суждение записывается как Φ = Φ 1 – Φ 2 . Следовательно, токи J 1 и J 2 проходят изменения в противофазе, иначе говоря, имеется фазовый сдвиг, равняющийся 180 градусам.

Важность еще одного вывода в том, что ток J 1 первичной обмотки, используемый в режиме нагрузки, намного больше по значению тока холостого хода. Отсюда вывод, что магнитный поток Ф из сердечника в режиме нагрузки должен быть таким же, как и в режиме холостого хода, потому как напряжение u 1 первичной обмотки обоих случаев является один и тем же. То есть напряжение равняется ЭДС источника e 1 переменного тока.

Магнитные потоки, проникающие в обмотки, пропорциональны n 1 и n 2 виткам, находящимся в них, тогда запись для первичной обмотки будет иметь вид:

e 1 + e 1 и н д = 0 , u 1 = e 1 = — e 1 и н д = n 1 d Φ d t ,

для вторичной – u 2 = J 2 R н = e 2 и н д , u 2 = — n 2 d Φ d t .

Отсюда следует, что

u 2 = — n 2 n 1 u 1 .

Наличие минуса говорит о том, что напряжения u 1 и u 2 находятся в противофазе, как и J 1 и J 2 , находящиеся в обмотках. Отсюда имеем, что фазовым сдвигом φ 1 между напряжением u 1 и током J 1 первичной обмотки считается фазовый сдвиг φ 2 между напряжением u 2 и током J 2 вторичной обмотки. Когда вторичная обмотка нагружена с помощью активного сопротивления R н , тогда формула примет вид φ 1 = φ 2 = 0 .

Амплитудные значения напряжений на обмотках записываются как

U 2 U 1 = n 2 n 1 = K .

Видно, что коэффициентом K = n 2 n 1 считается коэффициент трансформации. Когда K > 1 , трансформатор называют повышающим, когда K < 1 – понижающим.

Данные соотношения могут быть применимы только для идеального трансформатора, где отсутствует рассеяние магнитного потока и потери энергии на джоулево тепло.

Активное сопротивление обмоток и возникновение индукционных токов в сердечнике, называемых токами Фуко, вызывает такие потери. Чтобы уменьшить их, необходимо изготавливать сердечники из тонких стальных изолированных листов.

Имеет место на существование механизм потерь энергии, когда происходят гистерезисные явления в сердечнике.

Циклическое перемагничивание ферромагнитных материалов появляется вследствие потерь электромагнитной энергии, которая прямо пропорциональна площади петли гистерезиса.

Применение трансформаторов

Современные трансформаторы обладают потерями энергии при нагрузках, приближенных к нормальным, не превышающими 1 — 2 % , что говорит о возможности применения теории идеального трансформатора.

При пренебрежении потерями энергии мощность P 1 , которая потребляется с помощью идеального трансформатора, имеющего источник переменного тока, равняется мощности P 2 , передаваемой нагрузки.

Формула имеет вид:

U 1 I 1 2 = U 2 I 2 2 , cos φ 1 = cos φ 2 = 1 .

Следовательно, что I 2 I 2 = U 2 U 1 = n 2 n 1 = K , где видна обратная пропорциональность токов относительно числа витков.

Если U 2 = R н I 2 , тогда соотношение запишется как U 1 I 1 = R н K 2 .

Отношение вида R э к в = U 1 I 1 допускается к рассмотрению как эквивалентное активное сопротивления первичной цепи, в то время как вторичная обмотка нагружена на сопротивление R н . Отсюда получаем, что трансформатор может «трансформировать» как напряжения и токи, так и сопротивления.

Современная техника располагает применением трансформаторов с различными конструкциями. Радиотехнические устройства имеют в своем составе небольшие и маломощные трансформаторы с несколькими обмотками для повышения или понижения переменного тока. Электротехника нашла применение для трехфазных трансформаторов, которые предназначаются для повышения и понижения трех напряжений одновременно, сдвинутых по фазе относительно друг друга на 120 градусов.

Применение мощных трехфазных трансформаторов актуально для линий передач электроэнергии на большие расстояния.

Чтобы потери нагревания проводов были минимальными, следует производить уменьшение силы тока в линии передач, увеличивать напряжение. Стандартный расчет напряжения линий электропередач равняется 400 — 500 к В , причем применяется трехфазный ток с частотой 50 Г ц . Рисунок 2 . 5 . 2 показывает схему линии передачи электроэнергии, начиная от электростанции, заканчивая потребителем. По схеме отчетливо видно, как используется трансформатор в таких целях.

Повышение напряжения в линиях способствует увеличению утечки. Явный пример – это сырая погода. Тогда отчетливо можно увидеть возникновение коронного разряда с помощью характерного потрескивания. КПД линий передач представляет собой значение не более, чем 90 % .

Рисунок 2 . 5 . 2 . Условное изображение схемы высоковольтной линии передач.

Трансформаторы изменяют напряжение в нескольких точках линии. Схема показывает один из трех проводов высоковольтной линии.

Трансформатор это в физике

Трансформаторы — это просто!

«Физика — 11 класс»

Назначение трансформаторов

Трансформатором называется электротехнические устройства с помощью которого осуществляется преобразование переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности.

Впервые подобные устройства были использованы в 1878 г. русским ученым П.Н.Яблочковым для питания изобретенных им электрических свечей — нового в то время источника света.
Позднее эти устройства получили название трансфораторов.
Трансформатор Яблочкова состоял из двух цилиндрических катушек, надетых на стальной стержень, собранный из отдельных проволок.

Устройство трансформатора

Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, собранного из пластин, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочными обмотками.
Одна из обмоток, называемая первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Другая обмотка, к которой присоединяют нагрузку, т. е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной.
Условное обозначение трансформатора на электрических схемах

Трансформатор на холостом ходу

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции, открытым Майклом Фарадеем в 1831 году.
Явление электромагнитной индукции: при изменении тока в цепи первой катушки во второй катушке, расположенной рядом, возникает электрический ток.

При питании катушки от источника постоянного тока ток во второй катушке существует только в моменты изменения тока в первой катушке, а на практике — при замыкании и размыкании цепи первой катушки.
Для длительного существования тока необходио непрерывно изменять ток в первой катушке. А это возможно, если соединить ее с источником переменного напряжения. При синусоидальном характере тока в первой катушке ток во второй катушке будет также синусоидальным.

При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, которым возбуждается ЭДС индукции в витках каждой обмотки.
Сердечник из трансформаторной стали концентрирует магнитное поле так, что магнитный поток существует практически только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях.

Мгновенное значение ЭДС индукции е во всех витках первичной или вторичной обмотки одинаково.
Согласно закону Фарадея оно определяется формулой

е = -Ф’

где
Ф’ — производная потока магнитной индукции по времени.

В первичной обмотке, имеющей N1 витков, полная ЭДС индукции

Во вторичной обмотке полная ЭДС индукции

где
N2 — число витков этой обмотки.

Отсюда следует, что

Обычно активное сопротивление обмоток трансформатора мало, и им можно пренебречь.
В этом случае модуль напряжения на зажимах первичной обмотки примерно равен модулю суммарной ЭДС индукции:

При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не идет, и имеет место соотношение

Мгновенные значения ЭДС e1 и e2 изменяются синфазно, т.е. одновременно достигают максимума и одновременно проходят через ноль.
Поэтому их отношение можно заменить отношением действующих значений ЭДС и напряжений

Отношение напряжений на обмотках при работе трансформатора на холостом ходу (без нагрузки) называется коэффициентом трансформации — К.
Трансформаторы используются как для повышения напряжения, так и для понижения, т.е. могут быть повышающими и понижающими.
Если К>1, то трансформатор является понижающим,
если К По следам «английских ученых»

Обозначение на схемах

Трансформаторы наглядно изображаются на электрических схемах. Символически изображаются обмотки, которые разделены магнитопроводом в виде жирной или тонкой линии (см. рис. 9).

Пример обозначения

На схемах трехфазных трансформаторов обмотки начинаются со стороны сердечника.

Области применения

Кроме преобразования напряжений в электрических сетях, трансформаторы часто применяются в блоках питания радиоэлектронных устройств. Преимущественно это автотрансформаторы, которые одновременно выдают несколько напряжений для различных узлов.

Сегодня все чаще используют бестрансформаторные блоки питания. Однако там где требуется питание мощным переменным током, без электромагнитных устройств не обойтись.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий