Трансформатор простыми словами. Что такое трансформатор простыми словами.

Щиты обычно изготавливаются из Е-пластин (или Sch-пластин, как многие их называют), изолированных друг от друга лаком. В этом типе катушки заключены в сердечник, как в бак. Поэтому они так и называются.

Содержание

Принцип работы, устройство и виды трансформаторов

Человеку, не знакомому с электричеством, трудно представить, что такое трансформатор, где он используется и каково назначение его конструктивных элементов.

1 Общая информация об устройстве
2 Конструкция
3 Принцип работы
4 Классификация по видам
- 4.1 Силовые
- 4.2 Автотрансформаторы
- 4.3 Трансформаторы тока
- 4.4 Трансформаторы напряжения
- 4.5 Импульсные
- 4.6 Разделительные
- 4.7 Согласующие
- 4.8 Пик-трансформаторы
- 4.9 Сдвоенный дроссель
- 5.1 Холостой ход (ХХ)
- 5.2 Режим нагрузки
- 5.3 Короткое замыкание (КЗ)
Общая информация об устройстве

Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, которое на основе явления электромагнитной индукции преобразует переменный ток с определенным напряжением в переменный ток с другим напряжением, но той же частоты.

Устройства используются во всех областях человеческой деятельности: в энергетике, радиотехнике, радиоэлектронной промышленности и в быту.

Конструкция

Трансформатор состоит из одной или нескольких отдельных катушек (ленточных или проволочных) под единым магнитным потоком, намотанных на сердечник из ферромагнитного материала.

Основные структурные части выглядят следующим образом:
- обмотка;
- каркас;
- магнитопровод (сердечник);
- охлаждающая система;
- изоляционная система;
- дополнительные части, необходимые в защитных целях, для установки, обеспечения подхода к выводящим частям.
В устройствах обычно встречаются два типа обмоток: первичная обмотка, которая получает электрический ток от третьего источника питания, и вторичная обмотка, с которой снимается напряжение.

Сердечник обеспечивает лучший обратный контакт обмоток и имеет меньшее сопротивление магнитному потоку.

Некоторые типы устройств УВЧ и ВЧ производятся без сердечника.

Устройства производятся с тремя основными концепциями намотки:
- броневой;
- тороидальной;
- стержневой.
В конструкции стержневых трансформаторов обмотка наматывается строго горизонтально к сердечнику. В экранированных устройствах обмотка окружена магнитопроводом, который расположен горизонтально или вертикально.

Надежность, производительность, конструкция и работа трансформатора достигаются без влияния принципа его конструкции.

Что такое трансформатор?

Короче говоря, это стационарное устройство, которое преобразует переменное напряжение, сохраняя при этом частоту тока. Работа трансформатора основана на свойствах электромагнитной индукции.

Немного исторических фактов

Трансформатор основан на явлении магнитной индукции, которое было открыто М. Фарадеем в 1831 году. Работая с постоянным током, физик заметил отклонение стрелки гальванометра, подключенного к одной из двух катушек, намотанных на сердечник. Гальванометр реагировал только при подаче напряжения на первую катушку.

Поскольку эксперименты проводились с источником постоянного тока, Фарадей не смог объяснить открытое им явление.

Первый трансформатор был разработан только в 1848 году. Его изобрел немецкий инженер Х. Румкорф, который назвал устройство индукционной катушкой особой конструкции. Датой рождения первого трансформатора считается день, когда П. Н. Яблочков получил патент на изобретение устройства с открытым сердечником. Это произошло 30.11.1876 года.

Приборы с закрытыми сердечниками появились в 1884 году, их создали англичане Джон и Эдвард Гопкнинсон.

В целом, именно изобретение трансформатора пробудило технический интерес к переменному току в электромеханике. Идеи российского инженера-электротехника М. О. Доливо-Добровольский и всемирно известный Никола Тесла одержали верх в споре о преимуществах переменного тока именно из-за возможности преобразования тока.

С триумфом идей этих великих инженеров-электриков спрос на трансформаторы резко возрос, что привело к их усовершенствованию и разработке новых типов устройств.

Общее устройство и принцип работы

Рассмотрим конструкцию простого трансформатора с двумя катушками в замкнутом магнитном контуре (см. рис. 2). Катушка, принимающая ток, называется первичной катушкой, а выходная катушка — вторичной катушкой.

Все типы трансформаторов используют электромагнитную индукцию для преобразования напряжения, приложенного к первичной цепи катушки. Выходное напряжение поступает со вторичных катушек. Они отличаются только формой, материалом магнитопровода и типом намотки катушки.

Ферромагнитные сердечники используются в низкочастотных моделях. Для этих стержней используются материалы:

Некоторые высокочастотные модели могут не иметь магнитных сердечников, а в некоторых изделиях используются высокочастотные ферритовые или аллиловые материалы.

Поскольку ферромагнитные свойства характеризуются нелинейной намагниченностью, сердечники состоят из пластинчатого материала, на который накладываются обмотки. Нелинейная индукция приводит к гистерезису. Для уменьшения этого гистерезиса используется метод стержневого литья.

Форма сердечника может быть Ш-образной или тороидальной.

Базовые принципы действия

Когда синусоидальный ток подается на клеммы первичной катушки, он создает переменное магнитное поле во второй катушке, которая проходит через магнитную цепь. Изменение магнитного потока, в свою очередь, вызывает ЭЭД в катушках. Величина напряжения ЭЭД на катушках пропорциональна числу витков и частоте тока. Отношение между числом витков в первичной цепи и числом витков во вторичной цепи называется коэффициентом трансформации: k = W₁/ W₂где W₁и W₂обозначает число витков в катушках.

Режимы работы

Силовой трансформатор может работать в трех режимах:
- в состоянии холостого хода;
- в режиме нагрузки;
- в короткозамкнутом режиме.
Поскольку в разомкнутой вторичной цепи ток не течет, в этом состоянии через первичную обмотку не протекает ток покоя. Параметры этого тока используются для расчета КПД, определения коэффициента трансформации и расчета потерь в сердечнике.

Основным режимом работы трансформатора является подключение номинальной нагрузки к его второй обмотке. Первичный ток может быть выражен результирующим током холостого хода и расчетным током сопротивления нагрузки.

В состоянии короткого замыкания вторичной обмотки вся мощность сосредоточена в цепях обмотки. В таком состоянии можно определить потери, вызванные нагревом проводников в обмотках.

Технические характеристики

Пропорции трансформаторов являются важной характеристикой. Они показывают зависимость выходного напряжения от соотношения витков в обмотках. Коэффициент трансформации является ключевым параметром для расчета.

Другой важной характеристикой трансформатора является его КПД. В некоторых приложениях это значение составляет от 0,9 до 0,98, что означает, что потери от блуждающего магнитного поля пренебрежимо малы. Мощность P является функцией площади поперечного сечения S магнитной цепи. S используется для определения количества витков на катушках: W = 50/S.

На практике мощность выбирается исходя из ожидаемой нагрузки, с учетом потерь в сердечнике. Вторичная мощность P_н= U_н× I_ни мощность первичной обмотки P_с= U_с× I_с. В идеале, P_н= P_с(без учета потерь в ядре). Тогда k = U_с/ U_н= I_с/ I_нт.е. токи в отдельных обмотках обратно пропорциональны их напряжениям, т.е. числу витков.

Как работает трансформатор

Чтобы понять принцип, давайте посмотрим на рисунок.

Здесь мы видим простую модель трансформатора. Подача переменного напряжения U₁ток I₁. Когда первичная обмотка наматывается на замкнутый магнитопровод, в первичной обмотке начинает нарастать магнитный поток, создавая напряжение U₂и ток I₂. Как видите, между первичной и вторичной обмотками трансформатора нет электрического контакта. В электронике это называется гальванической развязкой.

Формула трансформатора

Основная формула трансформатора выглядит следующим образом.

U₂— Вторичное напряжение

U₁— Первичное напряжение

N₁— Количество первичных обмоток

N₂— Количество витков во вторичной обмотке

k — коэффициент

Закон сохранения энергии применим и к трансформатору, т.е. мощность, поступающая в трансформатор, равна мощности, выходящей из него:

Эта формула применима к идеальному трансформатору. Настоящий трансформатор производит немного меньше мощности, чем его входной сигнал. Трансформаторы имеют очень высокий КПД, иногда до 98 %.

Типы трансформаторов по конструкции

Однофазные трансформаторы

Они представляют собой трансформаторы, преобразующие однофазное переменное напряжение с одним значением в однофазное переменное напряжение с другим значением.

Однофазные трансформаторы в основном имеют две обмотки — первичную и вторичную. На первичную обмотку подается значение напряжения, а вторичная обмотка используется для получения необходимого напряжения. В повседневной жизни часто встречаются так называемые сетевые трансформаторы, первичная обмотка которых рассчитана на сетевое напряжение, т.е. 220 В.

Однофазный трансформатор обозначается на схемах следующим образом:

Первичная обмотка находится слева, вторичная обмотка — справа.

Иногда для питания различных приборов требуется несколько разных напряжений. Зачем использовать отдельный трансформатор для каждого прибора, если можно получить несколько напряжений одновременно от одного трансформатора? По этой причине иногда имеется несколько пар вторичных обмоток, а иногда даже некоторые обмотки приводятся в движение непосредственно существующими вторичными обмотками. Такой тип трансформатора называется трансформатором с несколькими вторичными обмотками. Вы можете увидеть нечто подобное на диаграммах:

Трехфазные трансформаторы

Такие трансформаторы в основном используются в промышленности и обычно имеют большие размеры, чем простые однофазные трансформаторы. Почти все трехфазные трансформаторы называются силовыми трансформаторами. Поэтому они используются в цепях, где необходимо подавать большие нагрузки. Это станки с ЧПУ и другое промышленное оборудование.

На схемах трехфазные трансформаторы обозначены следующим образом:

Первичные обмотки обозначаются заглавными буквами, а вторичные — строчными.

Здесь мы видим три типа соединения обмоток (слева направо)
- звезда-звезда
- звезда-треугольник
- треугольник-звезда
В 90 % случаев используется трансформатор «звезда-звезда».

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор — это трансформатор, в котором отсутствуют потери энергии. В таком трансформаторе энергия тока в первичной обмотке сначала полностью преобразуется в энергию магнитного поля, а затем в энергию вторичной обмотки.

Конечно, такого трансформатора в природе не существует. Однако в случае, если тепловыми потерями можно пренебречь, при расчетах целесообразно использовать формулу для идеального трансформатора, согласно которой мощности токов в первичной и вторичной обмотках равны.

Кстати, в настоящее время для наших читателей действует скидка 10 % на все работы.

Потери энергии в трансформаторе

Мощность трансформаторов довольно высока. Однако существуют потери энергии в обмотке и сердечнике, что повышает температуру трансформатора во время работы. Это не является проблемой для трансформаторов малой мощности, все тепло уходит в окружающую среду — используется естественное воздушное охлаждение. Такие трансформаторы называются сухими трансформаторами.

Для больших трансформаторов воздушного охлаждения недостаточно, поэтому используется масляное охлаждение. В этом случае трансформатор находится в баке с минеральным маслом, через которое тепло передается стенкам бака и выделяется в окружающую среду. Для трансформаторов большой мощности используются дополнительные выхлопные трубы — когда масло закипает, образующиеся газы должны выходить наружу.

Конечно, трансформаторы не так просты, как кажется на первый взгляд — ведь мы вкратце рассмотрели функциональный принцип работы трансформаторов. Контрольная работа по электротехнике с задачами по расчету трансформаторов может неожиданно стать настоящей проблемой. Специальная студенческая служба всегда готова помочь вам решить проблемы с учебой! Обратитесь к Zaochnik и учитесь с легкостью!

Что делает трансформатор

Трансформатор выполняет множество полезных и важных функций:
- Передает электричество на расстояние. Он способен повышать переменное напряжение. Это помогает передавать переменный ток на большие расстояния. Так как у проводов тоже есть сопротивление, от источника тока требуется высокое напряжение, чтобы преодолеть сопротивление проводов. Поэтому, трансформаторы незаменимы в электросетях, где они повышают напряжение до десятки тысяч вольт. Еще возле электростанций, которые вырабатывают электрический ток, стоят распределительные трансформаторы. Они повышают напряжение для передачи их потребителям. А возле потребителей стоит понижающий трансформатор, который уменьшает напряжение до 220 В 50 Гц.
- Питает электронику. Трансформатор — это часть блока питания. Он понижает входное сетевое напряжение, которое затем выпрямляется диодным мостом, фильтруется и подается на плату. По сути, он используется практически в любом блоке питания и преобразователе.
- Питает радиолампы и электронно-лучевые трубки. Для радиоламп нужен большой спектр напряжений. Это и 12 В и 300 В и др.
- Для этих целей и делают трансформаторы, которые понижают и повышают сетевое напряжение. Это делается за счет разных обмоток на одном сердечнике. Разновидностью ламп являются электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). Они используются в электронных микроскопах, где с помощью пучка электронов можно получить детальные изображения микроскопических поверхностей. Для них нужны высокие напряжения, порядка нескольких десятков тысяч киловольт. Это нужно для того, чтобы в вакуумной трубке можно было разогнать пучок электронов до больших скоростей. Электрон в вакууме может повышать скорость своего передвижения за счет повышения напряжения. И здесь, кстати, используется импульсный трансформатор. Он повышает напряжение за счет работы ШИМ (широтно-импульсной модуляции). Такие трансформаторы называются строчными (или развертки).
Такое название неспроста, ведь такой трансформатор выполняет функцию линейного сканера. По сути, кинескоп — это катодно-лучевая трубка. Поэтому для работы телевизора, в котором используется кинематографический прицел, необходим хордальный трансформатор.
- Согласует сопротивления. В усилителях звука согласование источника и потребителя играет важную роль. Поэтому, есть согласующие трансформаторы, которые позволяют передать максимум мощности в нагрузку. Если бы не было такого трансформатора, то лаповые усилители, которые были рассчитаны на 100 Вт, выдавали бы менее 50 Вт в нагрузку.
Например, выход усилителя составляет 2 кОм, и трансформатор согласовывает импеданс и снижает напряжение для защиты динамиков. А во вторичной обмотке сопротивление составляет всего несколько десятков Ом.

Вопросы об устройстве трансформатора

-Почему расстояние между катушками как можно меньше? Это необходимо для лучшего контакта магнитных полей. Если расстояние большое, эффективность трансформатора низкая.

-Возможно ли построить трансформатор без сердечника, аналогичный трансформатору с сердечником? Да, но тогда вам придется увеличить число витков, чтобы увеличить магнитный поток. В сердечнике, например, обмотки могут иметь по несколько тысяч витков. Но без сердечника магнитный поток придется увеличить на количество витков. А число оборотов будет составлять несколько десятков тысяч каждый. Это не только увеличивает размер катушек, но и снижает их эффективность и повышает риск перегрева.

-Можно ли подключить понижающий трансформатор в качестве повышающего? Если у вас есть трансформатор, понижающий сетевое напряжение с 220 В до 12 В, вы можете подключить его как повышающий трансформатор. Это означает, что вы можете подключить его к 12-вольтовой сети переменного тока на вторичной стороне и повысить напряжение на первичной стороне до 220 вольт.

-А что будет, если на вторичную обмотку понижающего трансфоратора подать сетевое напряжение? Тогда обмотка сгорит. Её сопротивление, количество витков и сечение провода не рассчитаны на такие напряжения.-Можно ли сделать трансформатор самостоятельно своими руками в домашних условия? Да, это вполне реально. И многие радиолюбители и электронщики этим занимаются. А некоторые еще и зарабатывают. продавая готовую продукцию. Но стоит помнить о том, что это долгий, сложный и не простой труд. Нужны качественные материалы. Это трансформаторное железо, эмалированные медные провода различного сечения, изоляционные материалы.Все материалы должны быть высокого качества. Если медный провод будет с плохой изоляцией, то возможно межвитковое замыкание, которое неминуемо приведет к перегреву. А для начала нужно рассчитать все параметры будущего трансформатора. Это можно сделать с помощью различных программ, которые доступны в сети.Далее, это долгие часы сборки. Особенно если вы решили намотать тороидальные трансформатор.

Витки нужно наматывать плотно и равномерно, отмечая каждую десятую, чтобы не ошибиться и не изменить характеристики вашего будущего инвертора или блока питания.

-Что произойдет, если подключить трансформатор без сердечника? Поскольку трансформатор изначально был разработан с сердечником, он не способен полностью преобразовать напряжение. Это означает, что во вторичке что-то будет, но, конечно, не те же параметры. А если вы подключите нагрузку к обмоткам без сердечника, они быстро нагреются и перегорят.

Неисправности трансформаторов

Основными неисправностями трансформаторов являются:

Итог

Трансформаторы используются во многих местах. Трансформаторы используются во многих местах.

Интересные факты про трансформаторы

Трансформатор — это самый эффективный трансформатор. КПД может достигать 99% (силовые трансформаторы). Двигатель внутреннего сгорания, с другой стороны, обычно имеет КПД не более 30 %.

Самым эффективным, но и самым сложным в изготовлении является тороидальный трансформатор. Он эффективен благодаря расположению катушек и магнитопровода. Это усложняет процесс производства, особенно в промышленных масштабах.