Устройство трансформатора: зачем нужен и как работает

Электротрансформатором называют электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования электрического тока и напряжения. Он представляет собой одну или несколько обмоток, намотанных на магнитопровод из слоистого ферромагнетика, хотя встречаются и варианты последнего.

С работой трансформатора мы сталкиваемся ежедневно, хотя многие из нас никогда его в глаза не видели. Зато все знают, что во дворе у них стоит трансформаторная будка, на которой написано : «высокое напряжение опасно для жизни». Рядом нарисована молния.

Откуда он появился

В начале XIX века ученые изучали свойства магнитного поля. И экспериментально было показано, что переменное магнитное поле способно создавать ток: его фиксировали приборами на проводнике. При этом долгое время никто не измерял его величину.

К середине того же века были изучены свойства ферромагнетиков и параметры магнитного поля, появился даже прообраз трансформатора — катушка Румкорфа. Наконец, в 1876 году русский ученый П. Н. Яблочков запатентовал первый в мире стержневой трансформатор.

Чуть позже в Англии стали производить первые трансформаторы с замкнутым сердечником, которые и стали прообразом почти всех современных устройств этого типа. Все дальнейшие работы велись в направлении усовершенствования, и основывались они на изучении эксплуатационных свойств этого устройства. Так, были введены сердечники из слоистого материала, масляное охлаждение.В СССР распространение трансформаторов шло вместе с электрификацией всей страны, с конца 20-х годов прошлого века.

Что делает трансформатор

Принцип работы основан на электромагнитной индукции. Переменный ток создает вокруг проводника переменное магнитное поле, а оно, изменяясь, создает электродвижущую силу.

Когда мы подаем напряжение на первичную обмотку, ток в этой обмотке создает переменный магнитный поток. Он действует как на первую обмотку, так и на вторую, создавая в ней ЭДС. При включении в сеть потребителя в обмотке появляется электрический ток.

Схема эта работает только на переменном токе. При постоянном токе магнитный поток не меняется, и если вторичную обмотку в поле такого тока не вращать руками (что в нашем случае и не получится), то никакой ЭДС оно создавать не будет.

Упрощенное математическое выражение работы

Как устроен трансформаторКогда-то М. Фарадей проводил эксперимент, который показал, что напряжение в петле, представляющей собой проводник, зависит от изменения магнитного потока через эту петлю за единицу времени:

U=-ΔΦ/Δt

Когда у нас таких петель много, к примеру, N, то и равенство будет выглядеть немного по-другому:

U=-N*ΔΦ/Δt

Соответственно, на первой и на второй обмотках напряжения будут:

U1=-(N1)*ΔΦ/Δt

U2=-(N2)*ΔΦ/Δt

Поскольку магнитный поток и время для наших обмоток — одна и та же величина, то можно найти соотношение между напряжениями в обмотках:

U1/U2=N1/N2=n

И это n называется коэффициентом трансформации напряжения.

Если принять в качестве допущения, что всю свою мощность первая обмотка трансформирует в магнитный поток, а тот, в свою очередь, создает такую же мощность во второй, то получим следующее:

P1=(U1)*I1

P2=(U2)*I2

А если у нас P1=P2, то

U1/U2=I2/I1

Тут надо заметить, что в трансформаторах тока коэффициент n представляет собой как раз обратную величину, но о разновидностях мы поговорим позже.

Представленные выше закономерности работают как идеальные. В реальности же работа трансформатора осложнена рядом побочных явлений, которые влияют и на работу самого устройства, и на работу сети в целом. Перечислим эти явления:

  1. Как применить трансформаторТок холостого хода. Наблюдается при включении трансформатора в виде резкого скачка и может привести к выходу из строя коммутационного оборудования, поэтому его учитывают при проектировании.
  2. Паразитные емкости и индуктивности. Образуются они в результате соседства проводников под напряжением в обмотке. В принципе, ими можно пренебречь, пока речь не идет о высоких частотах или перегрузках в цепи. Они ярко себя показывают во время грозы, приводя к неравномерным колебаниям напряжения с разным итогом — от падения напряжения до пробоя и выхода из строя. В высокочастотных трансформаторах паразитная индуктивность вносит уже существенные изменения в работу устройства, в котором такие трансформаторы стоят. Борются с этим явлением заземлением экрана между обмотками, применением хороших изоляторов для обмотки проводника.
  3. Побочные эффекты работы магнитного поля в ферромагнетиках сердечника. В железе, кобальте и никеле существует такое явление, как остаточная намагниченность, которое вносит свои коррективы в изменение напряжения в обмотках, вплоть до того, что оно все меньше напоминает по графику синусоиду. Помимо этого, магнитное поле индуцирует в сердечнике паразитные токи Фуко, что ведет к перегреву трансформатора. Проблемы эти отчасти решаются слоистой структурой сердечника, но не до конца.

Виды изделий

Сейчас мы опишем некоторую часть этих преобразователей и особенности их конструкции.

Силовой преобразователь

Силовой транформаторЭто устройство, работающее в сетях и служащее для повышения или понижения напряжения в процессе электропередачи. В крупных энергосистемах напряжение, вырабатываемое электростанцией, сперва повышают до нескольких сотен вольт (а то и до мегавольта), чтобы уменьшить потери при передаче. Затем уже в регионах ставят понижающие трансформаторы, и таким образом в несколько приемов электроэнергия доходит до вашей квартиры. Последний трансформатор, который стоит перед вашим домом, понижает напряжение с 10 кВ до 220 В.

Поскольку линии передач у нас трехфазные, со сдвигом 120 градусов, то в вашей дворовой будке стоят три катушки, и напряжение между вторичными обмотками двух любых из них составляет 400 (по факту со включенными нагрузками — 380) вольт. А между любой из фаз и нейтралью — 220. Поэтому на двери подстанции и значится «10 кВ/400 В/220 В». Выпускаются такие изделия стержневого и броневого типов.

Также понижающий трансформатор стоит в ряде устройств бытовой техники, где 220 В преобразует в 12.

Измерительные трансформаторы

Измерительные трансформаторыИх можно встретить на больших подстанциях и предприятиях энергоснабжения. Применяются они для измерения параметров высоковольтных сетей, поскольку измерительную аппаратуру при высоком напряжении подключить попросту невозможно. Принципиально они не отличаются от силовых, все дело в режиме работы и схеме подключения.

Для точности измерений такие трансформаторы включают в сеть таким образом, чтобы они оказывали как можно меньшее влияние на измеряемые показатели.

 

Поскольку эти устройства предназначены для замеров соответствующих параметров, к ним предъявляются определенные требования по классу точности. Измерения происходят в масштабе, и если отклонения во вторичной обмотке будут и невелики, то в первичной они будут выше во много раз — то есть их нужно умножить на коэффициент трансформации. Поэтому такие трансформаторы подлежат регулярным проверкам.

Импульсные варианты

Предназначены для преобразования напряжения и тока, имеющих импульсный (не синусоидальный) график изменения. Задача такого элемента в цепи заключается в том, чтобы передать импульс без искажения его формы, что довольно сложно, если вспомнить о паразитных индуктивностях и емкостях, а также о свойствах сердечника. Поэтому при расчете таких трансформаторов особое внимание уделяют именно последнему — он должен обладать хорошей индуктивностью и при этом не стать причиной «размазывания» сигнала.

Говоря об импульсных электротрансформаторах, нельзя не упомянуть о пик-трансформаторах, задача которых — преобразовать синусоидальный сигнал в импульсный. Чтобы этого достичь, пользуются двумя методами:

  1. в первичную обмотку последовательно ставят большое сопротивление;
  2. между обмотками ставят магнитный шунт.

И в том, и в другом случае упор делается на изменение характеристик магнитного потока, изменение которого и определяет форму сигнала во вторичной обмотке.

Сварочные устройства

Это — разновидность понижающего, и причиной конструктивных отличий этого преобразователя от остальных является режим его эксплуатации. Если простой трансформатор работает под нагрузкой, то сварочный — на коротком замыкании. Соответственно, он должен выдерживать высокие токи, которые протекают по его вторичной обмотке. Ток, конечно, стараются минимизировать, поставив обмотки подальше друг от друга, но сама суть процесса дуговой сварки тока требует. Поэтому сечение провода во вторичной обмотке делается большим, а кабели, которые сварщики за собой таскают, хорошо изолированы.

Автотрансформаторы

Мощность трансформатораЭто не классические преобразователи: в них нет разделения на первичную и вторичную обмотку в прямом смысле слова, они соединены друг с другом напрямую.

Изменение напряжения достигается путем изменения числа витков. Чаще всего у таких устройств есть третий вывод, а в некоторых случаях они имеют регулировку.

Автотрансформаторы нашли свое применение там, где большой коэффициент трансформации не нужен, например, в стабилизаторах. Они в определенных пределах позволяют подогнать напряжение под норматив, требуемый нагрузкой.

В настоящее время часто встречаются в лабораториях и, как ни странно, на железной дороге. Подобная схема обеспечивает бесперебойность питания на длинных дистанциях пути при минимуме потерь.

Это далеко не все разновидности этого преобразователя как по конструкции, так и по назначению. Писать о применении трансформатора можно долго: он занял свое прочное место в электроэнергетике и радиоэлектронике уже давно. А пока мы лучше разберемся с его устройством.

Устройство трансформатора

Трансформатор состоит из двух обязательных компонентов — магнитопровода и обмоток. Но для его полноценной работы и безопасной эксплуатации имеют значение и другие составляющие этого устройства. Перечислим их:

  1. основание для обмоток (каркас);
  2. изоляция;
  3. система охлаждения.

По своей конструкции трансформаторы могут выполняться в стержневом, броневом и тороидальном исполнении, различие между которыми состоит в форме сердечника.

Магнитопровод и его особенности

Где применяется трансформаторЭто сердечник, является основой трансформатора. Основное требование к этой детали — хорошая магнитная проницаемость. Именно поэтому изготовляют его из ферромагнетиков — материалов на основе железа и никеля. Это прежде всего трансформаторная сталь, феррит и пермаллой. Магнитопровод не представляет собой что-то монолитное, а составлен из свернутой ленты или пластин; иногда он прессуется (феррит). Такая технология нужна для того, чтобы снизить влияние побочных факторов на работу устройства — таких, как токи Фуко.

Чаще всего магнитопровод имеет замкнутую структуру, разомкнутая встречается редко.

Существуют трансформаторы с медным магнитопроводом или даже устроенные без него — они нашли свое применение в высокочастотных приборах.

Обмотки проводника

Витки проводника, образующие электрическую цепь и создающие ЭДС.

Проводник изготавливается из меди, а его внутреннее устройство зависит от назначения трансформатора и параметров тока и напряжения. Так, преобразователи в приборах с низкими напряжениями содержат проводник в виде обычной медной проволоки, а вот обмотки силовых трансформаторов представляют собой многожильные кабели, где каждая жила хорошо изолирована.

 

Располагаются обмотки относительно друг друга двумя способами. При первом они представляют собой две отдельные катушки, при втором первичная и вторичная намотаны на одну, при этом они могут располагаться как рядом, так и одна на другой (в вашем дворе именно так).

Иногда обмоток несколько. Так, существуют трансформаторы, чаще всего применяемые в блоках питания, где вторичные обмотки выдают напряжение 3, 6, 9 и 12 В

Виды изоляции

Параметры трансформаторовВ качестве изолирующих материалов применяют пластик, бумагу, резину, причем их толщина зависит от напряжения в цепи. Если преобразователь внутри электронного устройства не нуждается в тщательной изоляции, то, к примеру, измерительный или понижающий без этого обойтись не могут. В качестве изолятора в силовых и измерительных трансформаторах применяется трансформаторное масло. Оно делается из нефтепродуктов и несет ряд важных функций. К ним относятся:

  1. Изоляция компонентов друг от друга и всего устройства от случайно проникших в трансформаторную граждан.
  2. Охлаждение устройства.
  3. Предохранение от попадания влаги, которая приводит к коррозии проводника.
  4. Профилактика образования электрической дуги.

Мы сделали краткий обзор того, для чего служит трансформатор, как он работает и из чего состоит. При желании вы можете даже сделать его сами дома, если произведете правильный расчет.

Adblock detector