Современное электроснабжение невозможно представить без трансформаторов, кроме того, они используются практически во всех источниках питания как в старой технике— сетевые железные трансформаторы, так и в современной – миниатюрные импульсные трансформаторы. В этой статье мы расскажем об их устройстве и принципе работы .
Что такое трансформатор?
Для начала заглянем в ГОСТ 16110 «Силовые трансформаторы. Термины и определения», в нём сказано:
Трансформатор — статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.
Явление электромагнитной индукции заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре, расположенном в изменяющемся или подвижном магнитном потоке, возникает ЭДС. Его открыл в 1831 году Майкл Фарадей.
С помощью трансформаторов можно повысить или понизить переменное напряжение для питания чего-либо, а также измерять большие величины. Например, с помощью трансформатора тока можно измерить любые значения тока даже амперметром или ваттметром с малым пределом измерения, нужно лишь умножить показания измерительного прибора на коэффициент трансформации.
Обмотки трансформаторов связаны индуктивно, то есть между ними нет электрического контакта, поэтому с помощью трансформаторов не только преобразовывают параметры электрической энергии, силу тока и напряжение, но и выполняют гальваническую развязку цепей. Гальваническая развязка — это и есть передача электрического сигнала или энергии без электрического контакта систем, взаимодействующих друг с другом. Что бывает необходимым для обеспечения безопасности как для компонентов электрических схем, так и для людей, которые их будут использовать.
Кратко о принципе работы
Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. В простейшем случае у трансформатора есть две обмотки, на одну из них подают переменный ток, а с другой его снимают. Ток, который протекает в первичной обмотке порождает магнитное поле, поток которого изменяет свою величину и направление соответственно изменению направления и величины тока в первичной обмотке, например в отечественной электросети ток и напряжение изменяются по синусоидальному закону с частотой в 50 герц.
Магнитный поток замыкается в сердечнике трансформатора, и пронизывает витки вторичной обмотки. Согласно закону электромагнитной индукции в каждом витке вторичной обмотки наводится ЭДС, величина которого прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока и количеству витков, который он пронизывает.
Устройство
Итак, поговорим о том, как устроен трансформатор, на примере простейшего однофазного трансформатора. Состоит он из двух и более обмоток (1, 2), расположенных на сердечнике (3). Сердечник – это магнитопровод или устройство для прохождения магнитного потока с определенными потерями, зависящими от материала, из которого он выполнен.
Если трансформатор работает в низкочастотной цепи, например, в электросети с частотой 50 Гц, то сердечник набирается из тонких пластин электротехнической стали толщиной 0.3-0.5 мм (или другого магнитомягкого материала), изолированных друг от друга диэлектриком. Сами же тонкие пластины используются для снижения потерь в виде тепла на вихревые токи, или, как их еще называют, токи Фуко. В некоторых случаях сердечник может отсутствовать, а сердечники трансформаторов импульсных источников питания, которые работают на высокой частоте в десятки и сотни килогерц, делают цельными (не из пластин) и зачастую из феррита. У высокочастотных трансформаторов сердечник и вовсе отсутствует.
Одна из обмоток называется первичной — на неё подают напряжение от источника переменного тока, например, из электросети. Остальные обмотки называются вторичными — с них снимают напряжение, к ним подключают нагрузку, измерительные приборы и прочее.
Если необходимо получать разные напряжения на вторичной обмотке или обеспечить возможность подключения первичной обмотки к источникам переменного тока с разным напряжением, то делают отводы от обмоток, или несколько обмоток, соединенных одним из концом между собой.
Отношение напряжения на первичной обмотке к напряжению на вторичной обмотке называют коэффициентом трансформации. То есть если на первичную обмотку подают 220В, а со вторичной обмотки снимают 110В, то коэффициент трансформации (k) такого трансформатора равен:
k=220/110=2
Соответственно такой трансформатор называют понижающим, если на вторичной обмотке напряжение больше, чем на первичной — он повышающий, а если напряжения равны – разделительный.
Коэффициент трансформации (k) определяется соотношением количества витков первичной обмотки ко вторичной:
k=w1/w2
Один и тот же трансформатор может быть, как понижающим, так и повышающим это зависит от того, на какую обмотку подаётся напряжение. То есть, понятия «первичная» и «вторичная» обмотки относительны, и применяются в зависимости от конкретного включения трансформатора. Допустим, у нас есть понижающий трансформатора 220/12 вольт, обмотка 12 вольт помечена в документации как вторичная, а 220 как первичная. Но если подать 12 вольт переменного тока на «вторичную» обмотку, то этот трансформатор будет уже повышающим, и на обмотке 220 вольт появится такое напряжение, таким образом, первичная и вторичная обмотки поменяются ролями.
Ток в первичной и вторичной обмотки также соотносится с коэффициентом трансформации, а напряжения в первичной и вторичной обмотках обратно пропорциональны токам вторичной и первичной обмотки. То есть в понижающем трансформаторе на вторичной обмотке напряжение (U2) ниже, чем на первичной (U1) в k раз, а ток вторичной обмотки во столько же раз выше, чем в первичной и наоборот.
Коэффициент полезного действия трансформаторов зависит потерь в сердечнике, сопротивления обмоток, коэффициента мощности, но самое большое влияние на КПД оказывает коэффициент нагрузки. В общем виде формула имеет вид:
η = P2 / P1
На холостом ходу КПД трансформатора стремится к нулю, поскольку никакой полезной работы не совершается, максимальный же КПД стремится к единице и приходится на область от 50% и выше от номинальной мощности, а далее незначительно снижается.
Условное графическое обозначение (УГО) трансформаторов на схемах соответствует их устройству и отражает количество первичных, вторичных обмоток и отводов от них.
Виды трансформаторов
Трансформаторы классифицируют по ряду критериев, по назначению выделяют:
- Силовые — используются в системах передачи и распределения электроэнергии.
- Сетевые —для питания отдельных приборов и устройств, зачастую понижающие, например, 220/12, 220/5.
- Специального назначения — для конкретного применения, например, как сварочные трансформаторы.
- Измерительные – трансформаторы тока или напряжения. Используются для измерения высокого напряжения или большой силы тока.
- Испытательные — используются для испытания электрической прочности изоляционных материалов высоким напряжением.
- Радиотрансформаторы или трансформаторы связи — используются в автоматике, телемеханике, звуковой и радиоаппаратуре для согласования сопротивлений электрических цепей (согласующие транфсорматоры).
- Разделительные — для гальванической развязки от сети, используются с целью повышения электробезопасности.
По виду охлаждения:
- Сухие. Охлаждаются воздухом, а именно при его естественной или принудительной циркуляции.
- Масляные. Сердечник и обмотки находятся в корпусе, заполненном трансформаторным маслом, которое также выполняет роль диэлектрика. Масляное охлаждение также может быть естественным или с принудительной циркуляцией.
По числу фаз:
- Однофазные. На примере таких и было рассмотрено устройство и принцип работы выше.
- Трёхфазные. Содержат три одинаковых группы обмоток (по одной на каждую фазу), установленных на одном сердечнике.
А также различаются по форме магнитопровода:
- Стержневые.
2. Броневые.
3. Тороидальные.
4. Овальные.
В последнее время наблюдается большее распространение тороидальных трансформаторов для питания отдельных устройств, благодаря их относительной компактности, тем не менее броневые сердечники использовались и продолжают использоваться чаще остальных, а стержневая конструкция используется на силовых трёхфазных трансформаторах.
Сами же магнитопроводы бывают ленточными и шихтованными. Шихтованные магнитопроводы набираются из плоских штампованных пластин, а ленточные из ленты, намотанной спиралью или выгнутой по форме сердечника. Эти конструкции сердечников разборные, позволяют разъединять их на части для установки или замены обмоток после перемотки.
Есть и другие критерии для классификации, например соотношению первичного и вторичных напряжений: повышающие и понижающие; по числу обмоток различают двухобмоточные и многообмоточные трансформаторы, в которых используется одна первичная и две или больше вторичных обмоток; а по конструкции выделяют: цилиндрические, концентрические и дисковые.
На самом деле классификацию трансформаторов можно продолжать и далее углубляясь в особенности каждой из сфер применения, коих великое множество.
Заключение
Тема трансформаторов в электротехнике очень обширна, как и их сфера применения, а целью этой статьи было познакомить читателя с общими сведениями, которые следует знать о трансформаторах. Каждый из разделов статьи достоин отдельной статьи, и вложить всё необходимое в небольшой объём крайне сложно. Поэтому будет отлично, если вы напишите в комментариях, о чем хотели бы узнать в следующих статьях.
