Трансформаторы

Устройство и принцип действия трансформаторов

Трансформатор представляет собой электротехническое устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения и тока без изменения частоты. Основу его работы составляет явление электромагнитной индукции. Конструктивно трансформатор состоит из двух или более обмоток, намотанных на общий магнитопровод, изготовленный из магнитного материала с высокой магнитной проницаемостью.

Основные элементы трансформатора

  1. Магнитопровод — сердечник, служащий для концентрации и направления магнитного потока. Обычно изготавливается из листовой электротехнической стали для уменьшения вихревых токов.
  2. Первичная обмотка — обмотка, к которой подключается источник переменного напряжения.
  3. Вторичная обмотка — обмотка, с которой снимается преобразованное напряжение.

Если первичная обмотка подключена к источнику переменного напряжения, то по ней начинает протекать переменный ток, создающий переменное магнитное поле в сердечнике. Это поле пронизывает вторичную обмотку и индуцирует в ней ЭДС, согласно закону Фарадея.

Основное уравнение трансформатора

Для идеального трансформатора (без потерь, без рассеивания магнитного потока) справедливо соотношение:

$$ \frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2}, \quad \frac{I_2}{I_1} = \frac{N_1}{N_2} $$

где:

  • U1, U2 — напряжения на первичной и вторичной обмотках,
  • I1, I2 — токи в первичной и вторичной обмотках,
  • N1, N2 — число витков в первичной и вторичной обмотках соответственно.

Таким образом, трансформатор может повышать или понижать напряжение в зависимости от отношения числа витков.

Коэффициент трансформации

Величина:

$$ k = \frac{N_2}{N_1} $$

называется коэффициентом трансформации. При k > 1 трансформатор является повышающим, при k < 1 — понижающим.

Мощность трансформатора

Мощность идеального трансформатора на входе и выходе одинакова:

P1 = U1I1 = U2I2 = P2

На практике существуют потери, поэтому:

$$ \eta = \frac{P_2}{P_1} < 1 $$

где η — КПД трансформатора. Он может достигать 98–99% для крупных трансформаторов.

Потери энергии в трансформаторе

В реальных условиях в трансформаторе возникают следующие потери:

  • Потери в обмотках (омические потери): Pобм = I2R
  • Гистерезисные потери в сердечнике, связанные с циклическим перемагничиванием материала.
  • Потери на вихревые токи в сердечнике, уменьшаемые путем его шихтования (использования тонких изолированных листов стали).
  • Потери на рассеяние потока, когда часть магнитного потока не замыкается через вторичную обмотку.

Режим холостого хода

При отключённой вторичной обмотке (разомкнутой нагрузке) ток в первичной обмотке очень мал и называется током холостого хода I0. Он создаёт переменное магнитное поле в сердечнике, необходимое для возбуждения ЭДС.

В режиме холостого хода измеряют:

  • Ток холостого хода I0,
  • Мощность холостого хода P0,
  • Напряжение U1.

Эти параметры позволяют определить потери в стали и магнитные характеристики сердечника.

Режим короткого замыкания

Для анализа потерь в обмотках и определения сопротивлений трансформатора проводят испытание на короткое замыкание. Вторичная обмотка замыкается через амперметр, а на первичную подаётся пониженное напряжение до получения номинального тока. В этом режиме:

  • Потери практически полностью обусловлены омическим сопротивлением обмоток.
  • Можно определить активное и реактивное сопротивление трансформатора.

Векторная диаграмма трансформатора

Для анализа трансформатора в установившемся синусоидальном режиме используют векторную (фазорную) диаграмму, отображающую соотношение фаз между напряжениями, токами и магнитным потоком. В идеальном случае ЭДС в обмотках опережают ток на угол в 90°, а ток холостого хода отстаёт от напряжения на угол, близкий к 90°, поскольку сердечник обладает большим индуктивным сопротивлением.

Трёхфазные трансформаторы

В промышленности широко применяются трёхфазные трансформаторы. Они могут быть реализованы двумя способами:

  1. Три однофазных трансформатора, соединённых в соответствующую схему (звезда или треугольник).
  2. Один трёхфазный трансформатор с тремя магнитными ветвями и обмотками на каждой из них.

Существуют различные схемы соединения обмоток:

  • Звезда – звезда (Y/Y)
  • Звезда – треугольник (Y/Δ)
  • Треугольник – звезда (Δ/Y)
  • Треугольник – треугольник (Δ/Δ)

Выбор схемы влияет на характеристики трансформации, фазовое сдвижение и возможность подавления третьих гармоник.

Автотрансформаторы

Особым типом трансформаторов являются автотрансформаторы, у которых первичная и вторичная обмотки электрически связаны и частично совпадают. Это позволяет уменьшить габариты и массу устройства, повысить КПД. Однако такой трансформатор не обеспечивает гальваническую развязку цепей, что может быть недостатком.

Импульсные трансформаторы

В электронных схемах применяются импульсные трансформаторы, рассчитанные на работу с высокочастотными прямоугольными импульсами. Они обеспечивают согласование, развязку и передачу сигналов. Используют ферритовые сердечники, способные эффективно работать в высокочастотном диапазоне.

Измерительные трансформаторы

Для измерений в высоковольтных сетях применяются:

  • Трансформаторы тока — понижают токи до уровня, безопасного для измерительных приборов.
  • Трансформаторы напряжения — понижают напряжение.

Они обеспечивают точную передачу пропорционального сигнала и гальваническую развязку.

Обмотки трансформатора и изоляция

Обмотки выполняются из медного или алюминиевого провода, покрытого изоляцией. В мощных трансформаторах применяется пропитка маслом, которая улучшает изоляционные свойства и охлаждение. Слои обмотки тщательно изолируются друг от друга, а также от сердечника.

Охлаждение трансформаторов

Нагрев обмоток и сердечника вызывает необходимость охлаждения:

  • Масляное охлаждение — трансформатор погружается в трансформаторное масло, циркулирующее по радиаторам.
  • Воздушное охлаждение — используется в маломощных устройствах.
  • Принудительное охлаждение — применяется в крупных трансформаторах с масляным насосом и вентилятором.

Резонансные и регулируемые трансформаторы

Некоторые трансформаторы специально настраиваются на определённую частоту резонанса (например, в радиотехнике). Регулируемые трансформаторы (например, ЛАТР — лабораторный автотрансформатор) позволяют плавно изменять выходное напряжение.

Применение трансформаторов

Трансформаторы находят широкое применение в самых разных областях:

  • Энергетика (силовые трансформаторы на подстанциях),
  • Электроника (импульсные источники питания),
  • Связь и радиотехника,
  • Металлургия и машиностроение (трансформаторы для сварки),
  • Измерительная техника (трансформаторы тока и напряжения).

Их надёжная работа обеспечивает стабильную передачу и распределение энергии на всех уровнях электрических сетей.

Оглавление