В XIX веке трансформаторы стали быстро наращивать свою популярность, и по сегодняшний день они остаются важнейшим элементом многих электрических схем. Они есть почти в любом устройстве, потребляющем электроэнергию.

Принцип работы трансформатора основан на индукции. Трансформатор – это устройство, которое понижает или повышает ток, регулируя его для энергопотребителей. Его придумал известный физик Фарадей, около 170 лет тому назад. Основным элементом трансформатора является обмотка, которая и влияет на силу тока, меняя её до нужных потребителю показателей.

Что такое трансформатор?

Трансформаторы тока это электромагнитные устройства, которые используются для трансформации тока одного напряжения в ток с другим напряжением при одинаковой частоте.

Переменный ток создает в первичной катушке переменное магнитное поле, которое создает переменное напряжение во вторичной обмотке. От числа витков катушки и скорости изменения магнитного поля и будет зависеть величина напряжение ЭДС.

Подходящее соотношение количества витков первичной и вторичной обмотки можно определить при помощи коэффициента трансформации.

k = w1 / w2

• w1 — количество витков в первичной обмотке;
• w2 — количество витков во вторичной обмотке.

• Если на первичной обмотке витков больше, чем на вторичной – трансформатор будет понижающим.
• Если на первичной обмотке витков меньше, чем на вторичной – трансформатор будет повышающим.

При этом, одно и то же устройство может быть одновременно и повышающим, и понижающим, в зависимости от того, на какую катушку подается ток
Существуют устройства без сердечника или с сердечником из феррита либо из альсифера – это высокочастотные устройства. А вот устройства с ферромагнитными сердечниками – это низкочастотные аналоги, с частотой до 100 кГц.

Высокочастотные устройства часто используются в оборудовании для усиления звуковых частот и в телефонной связи, а устройства со стальными сердечниками – это важнейший элемент любой электротехники.

Мощность силового трансформатора может быть от пары сотен Ватт до сотен тысяч киловатт и более.

Как устроен трансформатор?

Трансформатор это устройство, которое подразумевает наличие одной или нескольких отдельных катушек, пребывающих под единым магнитным потоком. Они накручиваются на сердечник, сделанный из ферромагнетиков.

Конструкция трансформатора состоит из:

• Обмотки;
• Каркаса;
• Магнитопровода;
• Охлаждающей системы;
• Системы изоляции;
• Вспомогательных частей, которые используются для защиты, монтажа и подхода к выводящим элементам конструкции.

Обмотка, чаще всего бывает двух типов – первичная, которая получает ток от постороннего источника, и вторичная, с которой напряжение будет сниматься потребителями.

Сердечник гарантирует улучшенный обратный контакт обмотки, имеет низкое сопротивление к магнитным потокам. Но, некоторые трансформаторы, которые работают с высокими частотами, изготавливаются без сердечников.

Изготовление трансформаторов может происходить с одной из концепций обмотки:

1. Тороидальной;
2. Стержневой;
3. Броневой;
4. Трехфазный;
5. Кольцевой;
6. Кабельной.

Стержневые трансформаторы подразумевают накрутку обмотки на сердечник строго по горизонтали. В броневых устройствах она заключена в магнитопровод, размещена либо по горизонтали, либо по вертикали.

Как работает трансформатор?

Ключевым принципом работы является взаимная индукция. Переменный ток поступает от поставщика электричества на ввод первичной обмотки, создает магнитное поле с переменным потоком, которое проходит через вторичную обмотку и индуцирует появления электродвижущей силы. В приемнике вторичной обмотки электроэнергия закорачивается из-за электродвижущей силы, при этом в первой обмотке появляется ток нагрузки. Цель трансформатора – переместить уже преобразованную электроэнергию без смены частоты на вторичную обмотку, чтобы её сняли потребители для использования.

Как проверить трансформатор?

Если в руках оказался трансформатор с неизвестными параметрами, его можно проверить двумя способами. Для начала можно посмотреть то короткого замыкания. Нужно взять провод потолще, поставить на него токовые клещи и замкнуть вторичную обмотку. Так вы узнаете ток короткого замыкания и напряжение без нагрузки.

Затем нагружаем трансформатор до уровня, когда напряжение во вторичной обмотке начнет проседать. Это делается для того чтобы выяснить, какую предельную мощность может выдать трансформатор. Нагрузить его можно при помощи стартера. Напряжение во второй обмотке должно просесть не менее, чем на 15 процентов.

В результате измерений, чтобы вычислить мощность трансформатора нужно перемножить напряжение и силу тока.

Виды магнитопроводов трансформаторов

Силовые устройства. Отличаются по количеству фаз, показателям номинального напряжения. Цель силовых трансформаторов – смена напряжения в осветительных сетях, питание оборудования и энергетических систем. Актуальность силовых трансформаторов объясняется тем, что в рабочих напряжениях магистральных линий и городских сетей потребителей есть серьезные отличия, поэтому ток необходимо преобразовывать.

Измерительные устройства. Применяются для контроля рабочих показателей напряжения, фазы или тока в первичной цепи. На измеряемой сети работа трансформатора практически не сказывается.

Автоматические трансформаторы. Здесь обмотки подключены друг к другу гальваническим методом. Коэффициент преобразования небольшой, поэтому трансформатор будет недорогим и малогабаритным. Его используются в стабилизаторах, системах защиты реле, для запуска больших электрических установок.

Импульсные трансформаторы. Эти устройства оснащаются ферромагнитными сердечниками, меняющими напряжение и импульсы тока. Этот тип оборудования используется в вычислительных устройствах электронного типа, радиолокации, импульсной связи, а также в качестве основного способа измерения в электрических счетчиках. Цель использования – перенести ортогональный импульс с крутым срезом и фронтом, неизменным показателем амплитуды.

Согласующие трансформаторы. Они согласуют сопротивление каскадов схем так, что сигнал почти не искажается. Это устройство создает схемы гальванической развязки.

Пик-трансформаторы. Они трансформируют напряжение синусоидального характера в импульсное. Используются в гальванических развязках электрических цепей.

Разделительные трансформаторы. Они имеют первичную обмотку, никак не связанную со вторичной. Есть 2 вида таких устройств: сигнальные и силовые. Силовые используются для улучшения надежности электросети при непредвиденных синхронных соединениях с землей и токоведущими элементами, либо элементами нетоковедухими, которые оказались из-за нарушения изоляции под напряжением. Сигнальные используются для обеспечения гальванической развязки в электрической цепи.

Сдвоенный дроссельный трансформатор. Он имеет 2 одинаковые обмотки, и благодаря их индукции дроссель демонстрирует отличную эффективность при стандартных размерах. Часто используется в звуковой технике, в роли фильтра блока питания. Чтобы хранить информацию часто используются трансфлюксоры – это трансформаторы с большой остаточной намагниченностью магнитопроводов. Вторым названием такого трансформатора является «встречный индуктивный фильтр». Это говорит о том, что прибор фильтрует напряжение в блоках питания, звукотехнике и цифровой аппаратуре.

Что представляет из себя силовой трансформатор?

На замкнутом сердечнике, набранном из стальных листов, надеваются несколько обмоток, одна из которых подключается к источнику тока. Другие обмотки подключаются к потребителям. В результате прохождения тока по первой обмотке в сердечнике формируется магнитный поток, который наводит в каждом витке катушки переменное напряжение. На всех витках напряжение формируется в исходящее напряжение трансформатора. Так, мощность электричества из первой обмотки передается во вторичные через магнитный поток.

К числу потребителей от такого трансформатора можно отнести электроосвещение, нагревательные приборы, телеаппаратуру, двигатели и многое другое. Эти устройства требуют разной мощности, но проблему очень легко решить при помощи трансформаторов. Из обычной электрической сети с напряжением в 220 В можно добыть напряжение любой величины, и при необходимости трансформировать переменный ток в постоянный.

КПД у этого трансформатора очень большой – от 90 до 98%. Он будет зависеть от магнитных полей рассеяния и потерь в магнитопроводе. От величины электрической мощности (W) будет зависеть площадь поперечного сечения магнитного провода (S). По значению площади S мощно определить количество витков на 1 вольт по следующей формуле

w = 50\S

Общие характеристики трансформаторов

К ключевым техническим характеристикам устройств можно отнести:

• Мощность;
• Напряжение обмоток;
• Ток обмоток;
• Коэфф. трансформации;
• КПД;
• Число обмоток;
• Рабочую частоту;
• Число фаз.

Режимы работы трансформатора

Холостой ход
Этот режим работы реализуется от размывания вторичной сети, после чего в ней прекращается протекание электрического тока. В первичной обработке же протекает ток холостого хода, у которого основным составным элементом является намагничивающийся ток.
Когда вторичный ток равен нулю, сила индукции в первичной обмотке будет возмещать напряжение источника питания, поэтому при потере нагрузочных токов, проходящих через первичную оботку, ток будет соответствовать по своим значениям намагничивающемуся току. Функциональная роль работы вхолостую – это выявление важных параметров трансформатора, таких как КПД, показателей трансформирования, потерь в магнитопроводах.

Режим нагрузки
Этот режим работы трансформатора характеризуется работой устройства при подаче напряжения на вводы первичной цепи и подключения нагрузки на вторичную. Нагружающий ток проходит по вторичной обмотке, а в первичной находятся общий ток нагрузки и ток холостого хода. Такой режим считается самым востребованным для работы трансформатора.
На вопрос, как работает трансформатор в основном режиме, может ответить основной закон индукции. Суть простая: подача нагрузки к вторичной обмотке спровоцирует появление магнитного тока во вторичной цепи, который образует в сердечнике нагружающий электрический ток. Он будет направлен в сторону, противоположную течению, создающемуся первичной обмоткой. В первичной цепи паритет электродвижущих сил поставщика электричества и индукции не будет соблюдаться – в первичной обмотке электроток повысится, пока магнитный поток не восстановит своё первоначальное значение.

Короткое замыкание
В этом режиме трансформатор может оказаться только при кратковременном замывании вторичной цепи. Короткое замыкание – это уникальный тип нагрузки. В нем трансформатор работает по следующему принципу: к первичной обмотке приходит небольшое переменное напряжение, выводы вторичной обработки соединяются. Напряжение на входе устанавливается с расчетом, чтобы сила замыкающего тока соответствовала номинальному току устройства. Величина напряжения определяет энергетические потери, которые приходятся на разогрев обмоток, а также на активное сопротивление. Этот режим работы особенно часто встречается в измерительных трансформаторах.
Из-за большого количества режимов работы, функциональности, а также высокого КПД трансформаторы используются практически повсеестно, как в гражданских, так и в промышленных электросетях.