Электрический трансформатор

Трансформатор состоит из одной первичной обмотки, одной или нескольких вторичных обмоток и ферромагнитного сердечника (магнитопровода), обычно замкнутой формы.

Простейший трансформатор представляет собой сердечник, на который надеты две обмотки (катушки). Концы одной из этих обмоток подключаются к источнику переменного тока с напряжением U₁, к концам второй обмотки подключается нагрузка, и на концах второй обмотки создается переменное напряжение U₂, отличающееся от U₁. Обмотка, подключенная к источнику тока, является первичной, а обмотка, подключенная к нагрузке, — вторичной. Если вторичная обмотка трансформатора разомкнута, а на первичную обмотку подается переменное синусоидальное напряжение, то трансформатор работает в режиме холостого хода.

Первичную обмотку трансформатора можно считать катушкой индуктивности L, обладающую сопротивлением R, (так как каждый элемент обмотки обладает одновременно индуктивностью и сопротивлением). Амплитудные значения поданного на первичную обмотку напряжения U₁ в общем случае связаны с напряжениями на R и L соотношением:

U₁ равняется корню квадратному из (U_R² + U_L²).

Непосредственно измерить U_R и U_L невозможно. Если число витков в первичной катушке равно n₁, а ЭДС самоиндукции в одном витке рана е, то мгновенное значение ЭДС в первичной катушке равно:

Напряжение на индуктивности U_L в каждый момент времени компенсирует возникающую в первичной обмотке электродвижущую силу ЭДС самоиндукцииξ₁, т. е. U_L = - ξ₁.

Напряжение на индуктивности U_L будет тем ближе подаваемому на вход напряжению U₁, чем больше будет индуктивное сопротивление первичной обмотки по сравнению с ее активным сопротивлением R. Такое соотношение обеспечивается использованием сердечника, изготовленного из материала, обладающего высокой магнитной проницаемостью, что приводит к многократному увеличению индуктивности, и у таких трансформаторов U₁» U_L. Поэтому практически можно считать, что U₁ = - ξ₁.

Ток первичной обмотки создает магнитный поток, который пронизывает вторичную обмотку, при этом индуцируемая в каждом витке вторичной обмотки ЭДС по величине будет равна ЭДС каждого витка первичной обмотки. Если число витков во вторичной обмотке равно n₂, а ЭДС самоиндукции в одном витке рана е, то мгновенное значение ЭДС во вторичной катушке будет равно:

ξ₂ = еn₂.

Индуцируемые в первичной и вторичной обмотках трансформатора ЭДС равны: ξ₁ = ξ₂. Следовательно, отношение электродвижущих сил в первичной и вторичной обмотках будет равно отношению числа витков в них:

ξ₁/ ξ₂ = n₁/ n₂.

Таким образом, на выходе вторичной обмотки возникает напряжение, равное индуцируемой в ней ЭДС: U₂ = ξ₂.

Напряжение U₂ на выходе трансформатора на холостом ходу будет прямо пропорционально величине напряжения U₁ :

U₂» (n₂/ n₁)^.U₁. Напряжения U₁ и U₂ находятся в противофазе.

Отношение ЭДС, наводимых основным магнитным потоком в первичной и вторичной обмотках электрического трансформатора, называется коэффициентом трансформации К.

На практике коэффициент трансформации определяют как отношение номинального напряжения, подводимого к первичной обмотке, к напряжению на разомкнутой вторичной обмотке; при этом погрешностью, возникающей из-за различия между ЭДС и напряжением на первичной обмотке, пренебрегают.

Если напряжение источника больше, чем напряжение на вторичной обмотке U₁>U₂, К>1, то трансформатор называется понижающим, если U₁₂, К, то трансформатор называется повышающим.

При подключении к вторичной обмотке нагрузки, в ее цепи появляется ток I₂, и напряжение U₂ уже не будет равно ЭДСξ₂, а будет меньше, при этом возрастет ток в первичной обмотке I₁, т. е. возрастет мощность, отбираемая трансформатором из цепи. Если на холостом ходе трансформатор представляет собой чисто индуктивное сопротивление, то по мере увеличения нагрузки трансформатора, т. е. тока во вторичной цепи, характер сопротивления трансформатора становится все ближе к активному.

Обычно трансформаторы рассчитывают таким образом, чтобы при нормальной нагрузке, когда током холостого хода можно пренебречь по сравнению с рабочим током, токи в первичной и вторичной обмотках были бы приблизительно обратно пропорциональны соответствующим напряжениям.

В реальных трансформаторах всегда имеются потери энергии, связанные с выделением джоулевой теплоты в обмотках, с токами Фуко, с работой перемагничивания, обусловленной гистерезисом в сердечнике, с рассеянием магнитного потока. Поэтому трансформаторы характеризую коэффициентом полезного действия К.п.д. Коэффициентом полезного действия трансформатора называют отношение мощности, потребляемой в цепи вторичной обмотки, к мощности, отбираемой из сети. К.п.д. современных трансформаторов высокий, его значения лежат в пределах 95-99, 5%.

История трансформатора, как и большинства других электротехнических приборов, начинается с открытия явления электромагнитной индукции М. Фарадеем. Его кольцо индуктивности и было первым трансформатором, но использовал он его только для демонстрации опытов. В 1870-е — 1880-е гг. несколько ученых из разных стран представляли свои модели трансформаторов, в т. ч. П. Н. Яблочков. В 1881 компания «Вестингауз электрик» приобрела патент на трансформатор, разработанный Л. Голардом (Gaulard) и Дж. Д. Гиббсом (Gibbs). В дальнейшем компания разработала несколько моделей. Несколько моделей было разработано Н. Тесла. Дальнейшее развитие трансформатора заключалось в совершенствовании конструкции, увеличении мощности и К.п.д., улучшении изоляции обмоток. В настоящее время существует множество типов электрических трансформаторов, получивших распространение в различных областях техники.

В некоторых случаях вторичной обмоткой трансформатора служит часть первичной обмотки (или наоборот); такие электрические трансформаторы называются автотрансформаторами.

Основным видом электрических трансформаторов являются силовые трансформаторы. Они служат для преобразования энергии переменного тока в электрических сетях энергетических систем, в радиотехнических устройствах, системах автоматики и др. и работают при постоянном действующем значении напряжения. Среди силовых трансформаторов наиболее распространены двухобмоточные силовые трансформаторы, устанавливаемые на линиях электропередачи (ЛЭП). Такие трансформаторы повышают напряжение тока, вырабатываемого генераторами электростанций, а в местах потребления электроэнергии при помощи силовых трансформаторов высокое напряжение преобразуют в низкое (220 в, 380 в и др.). Мощные силовые электрические трансформаторы имеют К.п.д. 98-99%. Их обмотки изготавливают, как правило, из меди, магнитопроводы — из листов холоднокатаной электротехнической стали толщиной 0, 5-0, 35 мм, имеющей высокую магнитную проницаемость и малые потери на гистерезис и вихревые токи.

Силовой трансформатор по конструкции может быть масляным и сухим. В масляных трансформаторах магнитопровод и обмотки помещают в бак, заполненный минеральным маслом, которое используется для изоляции и охлаждения обмоток. Среди сухих силовых электрических трансформаторов обширный класс составляют трансформаторы малой мощности с большим числом вторичных обмоток (многообмоточные); их часто применяют в радиотехнических устройствах и системах автоматики. Иногда два или более трансформатора включают последовательно, формируя каскадный трансформатор. В ряде случаев используют трансформаторы с регулированием под нагрузкой.

Помимо силовых, существуют различные типы трансформаторов, предназначенных для измерения больших напряжений и токов — измерительные трансформаторы, к которым относятся трансформаторы напряжения и трансформаторы тока. Их принцип действия заключается в том, что на первичную обмотку воздействует измеряемый ток или напряжение, а вторичная, понижающая, включена на измерительные приборы и реле защиты. Измерительные трансформаторы применяют главным образом в распределительных устройствах и в цепях переменного тока высокого напряжения для безопасных измерений силы тока, напряжения, мощности, энергии.

Отсасывающие трансформаторы являются специализированными трансформаторами, предназначенными для уменьшения влияния электромагнитного поля однофазного переменного тока, протекающего по проводам контактной сети, на воздушные и кабельные линии связи, металлические трубопроводы и другие коммуникации, находящиеся вблизи электрифицированных железных дорог.

Пик-трансформатор преобразует напряжение синусоидальной формы в импульсное напряжение с изменяющейся через каждые полпериода полярностью. Используется как генератор импульсов главным образом в исследовательских установках высокого напряжения, а также в устройствах автоматики.

Импульсный трансформатор, это трансформатор с ферромагнитным сердечником, применяемый для преобразования импульсов электрического тока или напряжения. В радиолокации, импульсной радиосвязи, автоматике и вычислительной технике служит для согласования источника импульсов с нагрузкой, изменения полярности импульсов, разделения электрических цепей по постоянному и переменному току, сложения сигналов, поджигания импульсных ламп и т. д.