Трансформаторы

Трансформатор - неподвижный (статический) электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Простейший трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного сердечника и двух обмоток. Обмотка, подключенная к генератору, называется первичной. Обмотка, к которой подключена нагрузка, называется вторичной.

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции.Переменный ток, протекающий по первичной обмотке, создает в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Ф, который, пронизывая обмотки. индуктирует в каждом витке некоторую э. д. с. (Е). Действующее значение  э. д. с., определяется по формуле

   где Е-действующеезначение э.д. с.;

ω-число витков;

f-частота,Гц;

Φ_m-амплитудное значение магнитного потока, вб.

Если принять число витков ω=1, то E=4,44fΦ_m

  Электродвижущие силы, наводимые магнитным потоком Φ, в обмотках трансформатора будут, очевидно, пропорциональны количеству витков. Если числа витков первичной и вторичной обмоток обозначить соответственно ω₁ и ω₂, то для действующего значения э. д. с. самоиндукции первичной обмотки (Е₁) будем иметь Е₁=ω₁Е, аналогично э. д. с. взаимоиндукции вторичной обмотки Е₂=ω₂Е.

  Отношение 

  называют коэффициентом трансформации и обозначают буквой К:

  Если трансформатор не нагружен ( т. е. цепь вторичной обмотки разомкнута), то напряжение на ее зажимах равно э. д. с. (U₂₌E₂). В тоже время, поскольку первичная обмотка обладает относительно большим индуктивным сопротивлением и ток потребляемый ею от сети, невелик, можно пренебречь падением напряжения на ее активном сопротивлении. Тогда приложенное к первичной обмотке напряжение будет численно равно э. д. с . самоиндукции (U₁≈E₁). Итак при отсутствии нагрузки U₁≈E₁ и U₂₌E₂. Следовательно, отношение Е₁/Е₂ можно заменить отношением U₁/U₂, т. е. 

  Таким образом, коэффициент трансформации есть отношение напряжения на зажимах первичной обмотки к напряжению на зажимах вторичной обмотки при отсутствии нагрузки ( или, как принято говорить, при холостом ходе трансформатора).

  В зависимости от величины коэффициента трансформации трансформаторы подразделяются:

- на повышающие ω₁<ω₂; U₁<U₂; К<1;

- на понижающие ω₁>ω₂; U₁>U₂; К>1;

- на переходные ω₁=ω₂; U₁=U₂; К=1.

Анализ работы трансформатора.

  1. Режим холостого хода

В этом режиме вторичная обмотка разомкнута. Переключатель находится в положении 1.Ток потребляемый первичной цепью минимален и называется током холостого хода. Магнитное поле вокруг первичной обмотки называется магнитным полем холостого хода.Этот режим безвреден для трансформатора.

  2. Работа трансформатора в режиме нагрузки

Включим переключатель в положение 2, при этом трансформатор из режима холостого хода переходит в режим нагрузки. По вторичной обмотке протекает ток I₂, магнитный поток которого согласно закону Ленца направлен против магнитного поля первичной обмотки Φ. В результате этого магнитный поток Φ в первый момент уменьшается, что вызывает уменьшение э. д. с. самоиндукции Е₁ в первичной обмотке трансформатора. Поскольку приложенное напряжение U₁ (сети, генератора) при этом остается неизменным, то электрическое равновесие между  напряжением и э. д. с. самоиндукции нарушается и происходит увеличение тока в первичной обмотке. Увеличение тока приводит к увеличению магнитного потока, что в свою очередь вызывает увеличение э. д. с. самоиндукции. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не восстановится электрическое равновесие между приложенным напряжением и э. д. с. самоиндукции. Но при этом ток первичной обмотки будет больше, чем при холостом ходе, т. е. суммарный магнитный поток первичной и вторичной обмоток трансформатора в режиме нагрузки равен магнитному потоку первичной обмотки в режиме холостого хода.

Итак, в режиме нагрузки, т. е. при появлении вторичного тока, первичный ток возрастает, во вторичной обмотке создается падение напряжения и вторичное напряжение уменьшается. При уменьшении нагрузки, т. е. при уменьшении вторичного тока, размагничивающее действие вторичной обмотки уменьшается, магнитный поток в сердечнике в первый момент возрастает и соответственно возрастает э. д. с.  самоиндукции Е₁. Электрическое равновесие между U₁ и Е₁ нарушается, ток в первичной обмотке уменьшается, При этом происходит уменьшение магнитного потока и э. д. с. самоиндукции. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не восстановится временно нарушенное электрическое равновесие между U₁ и Е₁, но при меньшем токе I₁.

Итак, уменьшение тока I₂  приводит к уменьшению тока I₁, падение напряжения во вторичной обмотке трансформатора уменьшается и вторичное напряжение возрастает.

Всякое изменение вторичного тока вызывает изменение первичного тока, направленное на поддержание в сердечнике трансформатора постоянного по величине магнитного потока.

А теперь включим переключатель в положение 4.

Сопротивление вторичной цепи практически будет равным нулю. Ток вторичной цепи будет максимальным, магнитное поле вторичной обмотки будет максимальным. Магнитное поле первичной обмотки уменьшится и станет минимальным, следовательно и индуктивное сопротивление первичной обмотки станет минимальным.Ток потребляемый первичной цепью возрастет до максимума. Такой режим называется режимом короткого замыкания. Этот режим опасен для трансформатора и всей цепи. Для защиты от КЗ устанавливают предохранители  в первичной или во вторичной цепи.

Может ли трансформатор получить выигрыш в мощности?

Мощность развиваемая в первичной цепи равна произведению U₁*I₁ во вторичной цепи  U₂*I_2. Трансформатор выигрыша в мощности не дает так как всякое увеличение напряжения с помощью трансформатора сопровождается соответствующим уменьшением тока, т. е. во сколько раз трансформатор увеличит напряжение во столько раз он уменьшит величину тока во вторичной цепи. В понижающем трансформаторе во сколько раз трансформатор уменьшит напряжение во столько раз увеличит величину тока во вторичной цепи.

К. п. д. трансформатора

    К. п. д. это отношение вторичной мощности P₂ к первичной P₁ ( полезной мощности к потребляемой) выраженной в %.

Например к. п. д. трансформатора 90% это значит что 90% энергии полученной первичной обмоткой от источника тока переходит во вторичную обмотку и 10% теряется в трансформаторе на активном сопротивлении трансформатора. Наличие потерь приводит к тому, что мощность выделяемая в нагрузке вторичной обмотки трансформатора, всегда меньше мощности, которую потребляет первичная обмотка.

Потери энергии в трансформаторе состоят из потерь в сердечнике и потерь в обмотках. К потерям в сердечнике относятся потери на магнитный гистерезис и потери на вихревые токи. Потери в обмотках обусловлены обычным нагревом обмоток током.

  К. п. д. мощных стационарных трансформаторов бывает до 99%.   К. п. д. маломощных трансформаторов, применяемых в аппаратуре связи принимается за 80%.

Устройство трансформатора

1.Обмотки

Для производства обмоток трансформаторов применяются обмоточные провода они медные и имеют изоляцию.

ПЭ-провод эмалированный

ПЭЛ- провод эмалированный лакостойкий

ПЭВ-провод эмалированный высокопрочный

ПЭЛ рассчитан на температуру до 90⁰, кратковременно 105⁰ ; ПЭВ до 105⁰,  кратковременно до 125⁰

Обмотки наматываются на каркас ( пластмасса, текстолит, гетинакс, картон), бывает и бескаркасная намотка. Конец провода обмотки должен быть закреплен. Обмотки наматываются рядами виток к витку. После каждого ряда прокладывается изоляция (полоска конденсаторной или кабельной бумаги), чтобы не было пробоя. Второй конец обмотки тоже должен быть закреплен. После намотки первой обмотки прокладывается изоляция получше, например полоска из лакоткани, затем наматывается следующая обмотка. Обмотки наматываются одна на другую.Часто при производстве трансформаторов  первичную и вторичную обмотки делят на секции.При этом магнитное поле первичной обмотки лучше охватывает вторичную обмотку.

2. Сердечники

Сердечники бывают: стержневые, броневые и тороидальные.

  Для производства сердечников часто применяется трансформаторная сталь разных марок. Сердечник набирается из тонких стальных пластин изолированных друг от друга. В качестве изоляции часто применяется окись (окалина), образующаяся на поверхности пластин при их нагреве при высокой температуре. Если сердечник делать не из отдельных изолированных друг от друга пластин, а из двух сложенных кусков, то сердечник будет раскалятся вихревыми токами. Вихревые токи отдельных пластин малы и в целом сердечник нагревается незначительно. Сердечник трансформатора должен быть хорошо сжат, чтобы не гудел. Лучшим способом сжатия является сжатие с помощью шпилек с гайками. Часто применяют сжатие с помощью скобы, охватывающий сердечник.

Сердечники из трансформаторной стали плохо намагничиваются в слабых магнитных полях. Поэтому на низких звуковых частотах применяют сердечники из пермаллоя. Пермаллой это сплав из никеля, молибдена, хрома, марганца, меди, кремния и железа.

В цепях токов высоких частот применяются сердечники из феррита. Феррит - это магнитодиэлектрик т. е. диэлектрик обладающий магнитными свойствами. Он изготавливается из окислов металлов в виде порошка перемешанных со смолой или полистиролом.

Условные обозначение трансформаторов на радиотехнических схемах