Трансформа́тор (от лат. Transformo преобразовывать) это статическое электромагнитное устройство,
имеющее две или более индуктивно связанные обмотки 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),
без изменения частоты.
Трансформатор осуществляет преобразование
переменного напряжения и/или гальваническую развязку в
самых различных областях применения —
электроэнергетике, электронике и радиотехнике.
Конструктивно трансформатор может состоять
из одной (автотрансформатор)
или нескольких изолированных проволочных,
либо ленточных обмоток (катушек), охватываемых
общим магнитным потоком, намотанных,
как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнито-мягкого материала.
Рабочий
процесс трансформатора
При холостом ходе трансформатора
(нагрузки нет) вторичная обмотка его разомкнута
и тока в этой обмотке нет. В первичной
обмотке при этом протекает ток холостого
хода I0, который много меньше тока этой
обмотки при номинальной нагрузке трансформатора.
Ток холостого хода возбуждает переменный
магнитный поток, который замыкается по
магнитопроводу и индуктирует в первично
и вторичной обмотках э.д.с, зависящие
от числа витков этих обмоток ω1и ω2, амплитуды
магнитного потока Фт (вб) и частоты ег
изменения f. Действующие значения э. д.
с. первичной E1и вторичной Е2 обмоток:
Если, например, в магнитопроводе
трансформатора, включенного в сеть переменного
тока с частотой f=50 гц, возбужден магнитный
поток с амплитудой Фт=0,001 вб, то при числах
витков обмоток ω1=572 и ω2= 108 действующие
значения э. д. с. обмоток равны:
и
Так как при холостом ходе во
вторичной обмотке тока нет, то напряжение
на зажимах этой обмотки равно э. д. с, т.
е. U2=E2. В первичной обмотке протекает небольшой
ток холстого хода и напряжение этой обмотки
незначительно отличается от э.д. с, т.
е. U1≈E1. Отношение напряжений на зажимах
первичной и вторичной обмоток трансформатора
при холостом ходе (без нагрузки) называется
коэффициентом трансформации и обозначается
буквой К, т. е.
и
Таким образом, если в трансформаторе
первичная и вторичная обмотки имеют различное
число витков, то при включении первичной
обмотки в сеть переменного тока с напряжением
U1 на зажимах вторичной обмотки возникает
напряжение U2, не равное напряжению U1.
Если, например, первичная обмотка
трансформатора с числом витков ω1 — 880
включена в сеть с напряжением U1=220 в, то
напряжение на зажимах вторичной обмотки
ω2=48 определится из следующего соотношения:
Если вторичную обмотку трансформатора
замкнуть на какой-либо приемник электрической
энергии (рис. 101), то во вторичной Цепи
будет протекать ток I2, а в первичной обмотке
ток I1, который может быть представлен
геометрической суммой тока холостого
хода и нагрузочного тока.
Первичная и вторичная обмотки
трансформатора электрически не соединены.
Однако надо иметь в виду, что за счет магнитной
связи между этими обмотками изменение
тока во вторичной обмотке I2 вызывает
соответствующее изменение тока первичной
обмотки I1. Если увеличится ток во вторичной
обмотке, то увеличится ток и в первичной
обмотке. Наоборот, при уменьшении тока
во вторичной обмотке, уменьшится ток
и в первичной обмотке. Если разомкнуть
вторичную обмотку, то ток в ней станет
равным нулю, а в первичной обмотке уменьшится
до малой величины (ток холостого хода
I0).
По первичной и вторичной обмоткам
при нагрузке протекают численно неравные
токи. Если пренебречь потерями мощности
в трансформаторе, то мощность, отдаваемая
трансформатором приемнику энергии U2I2,
равна мощности, потребляемой из сети
источника энергии U1I1т. е.
откуда:
и
Пренебрегая падением напряжения
в сопротивлениях первичной обмотки трансформатора,
можно допустить, как это было показано
выше, при любой его нагрузке приближенное
равенство абсолютных величин приложенного
напряжения U1 и уравновешивающей это напряжение
э. д. с.первичной обмотки, т. е.
На основании этого равенства
можно сказать, что при неизменном по величине
приложенном напряжении U1 будет приблизительно
неизменной э. д. с. E1, индуктируемая в первичной
обмотке трансформатора при любой его
нагрузке. А так как э.д.с, Е1 зависит от
магнитного потока Фт, то и магнитный поток
в магнитопроводе трансформатора при
любом изменении нагрузки будет приблизительно
неизменным.
Таким образом, при неизменном
приложенном напряжении амплитуда магнитного
потока в сердечнике трансформатора практически
неизменна при любом изменении нагрузки.
Ток I2, протекающий по вторичной
обмотке при нагрузке трансформатора,
создает свой магнитный поток, который
согласно закону Ленца направлен встречно
магнитному потоку в сердечнике, стремясь
его уменьшить. Чтобы результирующий магнитный
поток в сердечнике остался неизменным,
встречный магнитный поток вторичной
обмотки должен быть уравновешен магнитным
потоком первичной обмотки.
Следовательно, при увеличении
тока вторичной обмотки I2 возрастает размагничивающий
магнитный поток этой обмотки и одновременно
увеличиваются как ток первичной обмотки
I1, так и магнитный поток, создаваемый
этим током. Так как магнитный поток первичной
обмотки уравновешивает размагничивающий
поток вторичной обмотки, то результирующий
магнитный поток в сердечнике оказывается
неизменным.
В понижающем трансформаторе
напряжение первичной обмотки U1 больше
напряжения вторичной обмотки U2 в К раз,
следовательно, и сила тока вторичной
обмотки I2 больше силы тока первичной обмотки
I1 также в К раз. В повышающем трансформаторе
имеет место обратное соотношение между
напряжениями его обмоток и между силами
токов в них.
Если, например, включить на
полную нагрузку трансформатор, напряжения
первичной и вторичной обмоток которого
равны U1 = 220 в, U2=24 в, то при номинальной
силе тока первичной обмотки I1=3 а сила
тока во вторичной обмотке
Таким образом, в обмотке с более
высоким напряжением сила тока меньше,
чем в обмотке с более низким напряжением.
Поэтому обмотка с более высоким напряжением
имеет большее число витков и наматывается
из провода с меньшим поперечным сечением,
чем обмотка с более низким напряжением.
При работе трансформатора
под нагрузкой в первичной и во вторичной
его обмотках протекают токи, создающие
потоки рассеяния, Фs1 и Фs2, Эти магнитные
потоки сцеплены только с витками той
обмотки, током которой они создаются,
и всегда много меньше основного магнитного
потока Ф0, замыкающегося по магнитопроводу
трансформатора (по стали), так как потоки
рассеяния проходят в немагнитной среде.
Потоки рассеяния индуктируют в обмотках
э. д. с. рассеяния, которые в небольшой
степени изменяют напряжение вторичной
обмотки трансформатора при изменении
его нагрузки.
Чтобы не устанавливать отдельный
трансформатор на каждое рабочее напряжение,
целесообразно на одном трансформаторе
выполнить несколько вторичных обмоток
с различным числом витков. Такие трансформаторы,
называемые многообмоточными, широко
применяют в радиоприемниках, телевизорах,
усилителях и другой аппаратуре, требующей
для питания несколько переменных напряжений
различной величины. Соотношения количества
витков обмоток определяются их напряжениями,
т. е.
и т. д.
Ток в первичной обмотке равен
суммарному току всех вторичных обмоток:
Изменение тока в любой вторичной
обмотке вызывает соответствующее изменение
тока первичной обмотки. При этом происходит
некоторое изменение напряжения всех
вторичных обмоток трансформатора, т.
е. напряжение любой вторичной обмотки
зависит от тока как в этой обмотке, так
и в любой другой вторичной обмотке трансформатора.
Назначение
и области применения
Трансформатором называют статическое
электромагнитное устройство, имеющее
две или большее число индуктивно-связанных
обмоток и предназначенное для преобразования
посредством электромагнитной индукции
одной (первичной) системы переменного
тока в другую (вторичную) систему переменного
тока. Трансформаторы широко используются
в промышленности и быту для различных
целей.
1. Для передачи и распределения
электрической энергии.
Обычно на электростанциях
генераторы переменного тока вырабатывают
электрическую энергию при напряжении
6-24 кВ, а передавать электроэнергию на
дальние расстояния выгодно при значительно
больших напряжениях (110, 220, 330, 400, 500, и 750
кВ). Поэтому на каждой электростанции
устанавливают трансформаторы, осуществляющие
повышение напряжения.
Распределение электрической
энергии между промышленными предприятиями,
населёнными пунктами, в городах и сельских
местностях, а также внутри промышленных
предприятий производится по воздушным
и кабельным линиям, при напряжении 220,
110, 35, 20, 10 и 6 кВ. Следовательно, во всех
распределительных узлах должны быть
установлены трансформаторы, понижающие
напряжение до величины 220, 380 и 660 В (рис.
1.1)
Рис. 1.1
2. Для обеспечения нужной схемы
включения вентилей в преобразовательных
устройствах и согласования напряжения
на выходе и входе преобразователя. Трансформаторы,
применяемые для этих целей, называются
преобразовательными.
3. Для различных технологических
целей: сварки (сварочные трансформаторы),
питания электротермических установок
(электропечные трансформаторы) и др.
4. Для питания различных цепей
радиоаппаратуры, электронной аппаратуры,
устройств связи и автоматики, электробытовых
приборов, для разделения электрических
цепей различных элементов указанных
устройств, для согласования напряжения
и пр.
5. Для включения электроизмерительных
приборов и некоторых аппаратов (реле
и др.) в электрические цепи высокого напряжения
или же в цепи, по которым проходят большие
токи, с целью расширения пределов измерения
и обеспечения электробезопастности.
Трансформаторы, применяемые для этих
целей, называются измерительными.
Классификацию трансформаторов
можно произвести по нескольким признакам:
1. По назначению трансформаторы
разделяют на силовые общего и специального
применения. Силовые трансформаторы общего
применения используются в линиях передачи
и распределения электроэнергии. Для режима
их работы характерна частота переменного
тока 50 Гц и очень малые отклонения первичного
и вторичного напряжений от номинальных
значений. К трансформаторам специального
назначения относятся силовые специальные
(печные, выпрямительные, сварочные, радиотрансформаторы),
измерительные и испытательные трансформаторы,
трансформаторы для преобразования числа
фаз, формы кривой ЭДС, частоты и т.д.
2. По виду охлаждения – с воздушным
(сухие трансформаторы) и масляным (масляные
трансформаторы) охлаждением.
3. По числу фаз на первичной
стороне – однофазные и трёхфазные.
4. По форме магнитопровода –
стержневые, броневые, тороидальные.
5. По числу обмоток на фазу –
двухобмоточные, трёхобмоточные, многообмоточные
(более трёх обмоток).
6. По конструкции обмоток –
с концентрическими и чередующимися (дисковыми)
обмотками.
Принцип действия трансформатора
Электромагнитная схема однофазного
двухобмоточного трансформатора состоит
из двух обмоток (рис. 1.2), размещенных на
замкнутом магнитопроводе, который выполнен
из ферромагнитного материала. Применение
ферромагнитного магнитопровода позволяет
усилить электромагнитную связь между
обмотками, т.е. уменьшить магнитное сопротивление
контура, по которому проходит магнитный
поток трансформатора. Первичную обмотку
1 подключают к источнику переменного
тока – электрической сети с напряжением
сети u1. К вторичной
обмотке 2 присоединяют сопротивление
нагрузки Zн.
Обмотку более высокого напряжения
называют обмоткой высшего напряжения
(ВН), а низкого напряжения – обмоткой
низшего напряжения (НН). Начала и концы
обмотки ВН обозначают буквами А и Х; обмотки
НН – буквами а и х.
При подключении к сети в первичной
обмотке возникает переменный ток i1, который создаёт
переменный магнитный поток Ф, замыкающийся
по магнитопроводу. Поток Ф индуцирует
в обеих обмотках переменные ЭДС – е1 и е2 пропорциональные,
согласно закону Максвелла, числам витков
w1 и w2 соответствующей
обмотки и скорости изменения потока dФ/dt.
Рис. 1.2
Таким образом, мгновенные значения
ЭДС, индуцированные в каждой обмотке.
;
.
Следовательно, отношение мгновенных
и действующих ЭДС в обмотках определяется
выражением
(1.1)
E1 / E2 = e1 / e2 = w1 / w2 .
Если пренебречь падениями
напряжения в обмотках трансформатора,
которые обычно не превышают 3-5 % от номинальных
значений U1 и U2, и считать
E1≈U1 и E2≈U2, то получим
(1.2)
U1 / U2 ≈ w1 / w2 .
Следовательно, подбирая соответствующим
образом числа витков обмоток, при заданном
напряжении U1 можно получить
желаемое напряжение U2. Если необходимо
повысить вторичное напряжение, то число
витков w2 берут больше
числа w1; такой трансформатор
называют повышающим. Если требуется уменьшить
напряжение U2, то число
витков w2 берут меньшим
w1; такой трансформатор
называют понижающим.
Отношение ЭДС Eвн обмотки
высшего напряжения к ЭДС Енн обмотки
низшего напряжения (или отношение их
чисел витков) называют коэффициентом
трансформации
(1.3)
.
Коэффициент n всегда больше
единицы.
В системах передачи и распределения
энергии в ряде случаев применяют трёхобмоточные
трансформаторы, а в устройствах радиоэлектроники
и автоматики – многообмоточные трансформаторы.
В таких трансформаторах на магнитопроводе
размещают три или большее число изолированных
друг от друга обмоток, что даёт возможность
при питании одной из обмоток получать
два или большее число различных напряжений
(U2, U3, U4 и т.д.) для
электроснабжения двух или большего числа
групп потребителей. В трехобмоточных
силовых трансформаторах различают обмотки
высшего, низшего и среднего (СН) напряжения.