Принцип работы трансформатора должен знать каждый человек, который хочет более осознанно смотреть на используемую в быту и промышленности технику и понимать основы ее функционирования. Трансформатор относится к одному из самых универсальных и широко используемых устройств, которое в той или иной форме можно встретить практически везде.
С помощью этого аппарата происходит преобразование изначального напряжения электрического сигнала в более высокое или низкое, в зависимости от поставленных задач. Есть как непосредственно трансформаторы, которые изначально запрограммированы выполнять только одну функцию, так и так называемые латеры – аппараты, в которых рабочее напряжение можно менять прямо во время эксплуатации оборудования.
Без трансформатора невозможно представить себе нашу привычную жизнь. Перед тем, как электрический сигнал попадает в дом, происходит понижение его напряжения на специальных трансформаторных станциях.
Передача электрической энергии на большие расстояния по проводам происходят наоборот, благодаря повышению напряжения с привычных 220-380 В до нескольких десятков кВ. Любая бытовая техника, даже самый примитивный блок питания, также выполняют задачи трансформатора.
Именно поэтому очень важно хотя бы в общих чертах понимать, как работает данное устройство.
Трансформатор что это такое
Само название данного технического приспособления пошло от латинского термина transformare, что означает – преобразовывать, изменять, превращать. Трансформатором называется устройство статического электромагнитного типа, которое выполняет задачу преобразования напряжения переменного типа, а также служит для осуществления гальванической развязки в электрических схемах.
В последнем случае имеется ввиду такой тип передачи электрической энергии или информационного сигнала, при котором между контактирующими деталями нет непосредственного электрического контакта.
Трансформатор может быть однофазным или же трехфазным, хотя по особенностям конструкции они и не слишком сильно отличаются.
Данное устройство было изобретено, основываясь на работах великого ученого Фарадея (по другим версиям – он его и изобрел), который открыл явление электромагнитной индукции. В 1831 году М. Фарадей и другой ученый Д. Генри разработали первое схематическое изображение рассматриваемого прибора.
Позже, в 1876 году, русский изобретатель П. Н. Яблочков запатентовал первый трансформатор переменного тока.
Виды и типы
С тех пор, когда Фарадей и Генри впервые изобразили на схеме рассматриваемое приспособление, прошло немало времени. И сейчас количество разнообразных преобразующих ток устройств пошло на десятки.
Бывают такие основные виды трансформаторов, которые активно используются практически во всех сферах деятельности человека:
- Автотрансформатор устройство, в котором первичная и вторичная обмотки соединены не только магнитным, но и непосредственно электрическим контактами.
- Силовой применяется в сетях с большими напряжениями электрического тока, измеряемыми киловольтами. Чаще всего работают при ЛЭП, небольших электростанциях, а также в домах конечных пользователей.
- Трансформатор тока. Ток первичной обмотки, который поступает напрямую с его источника, здесь понижается до пределов, требуемых для бесперебойной работы определенных типов техники.
- Трансформатор напряжения. В отличие от предыдущего случая, питается не источником тока, а источником напряжения. Чаще всего здесь высокое напряжение трансформируется в более низкое.
- Импульсивный отличается тем, что обрабатывает электрические сигналы длительностью в миллисекунды.
- Сварочный преобразует напряжение в более низкое, а ток – в значительно более высокий, требуемый для задач сварки.
- Разделительный, в котором первичная обмотка электрически не привязана к вторичной. Необходим для обеспечения большего уровня безопасности при работе с электросетями.
Также есть еще согласующий, пик-трансформатор, сдвоенный дроссель, вращающий и другие типы рассматриваемого устройства, предназначенные для решения конкретных технических задач.
Общее устройство
Конструкция изделия в общем виде выглядит достаточно просто.
Основу устройства составляют такие важнейшие его элементы:
- Первичная обмотка катушка, на которую намотано N количество витков проводника. Два электрических контакта позволяют подключать к ней источники постоянного тока или напряжения.
- Вторичная обмотка по типу конструкции полностью повторяет первичную, но имеет отличное от нее количество витков проводника M. Также здесь расположены контакты для вывода электрического сигнала на следующего или конечного потребителя тока или напряжения.
- Магнитный стержень, обычно прямоугольной формы, на который по его сторонам надеты в плотном контакте к основе упомянутые выше катушки. Предназначен для того, чтобы передавать возникшее в результате действия электромагнитной индукции магнитное поле с первой на вторую катушку и возбуждать в нем пропорциональный электрический сигнал.
Все указанные элементы могут находиться в корпусе, который иногда бывает заполнен специальным трансформаторным маслом. Устроен прибор просто, и даже самая примитивная схема замещения легко объясняет его принципы работы.
Принцип действия
Самое главное в изучении прибора состоит в том, чтобы разобраться на каком физическом явлении основана работа трансформатора? Как уже вкратце упоминалось выше, в основе функционирования устройства лежит открытая Майклом Фарадеем электромагнитная индукция.
Ее суть заключается в следующем – переменное магнитное поле генерирует электрический ток в находящихся рядом проводниках. В школе все должны были видеть эксперимент, который это демонстрирует – в контур из проволоки вставляется и вытаскивается магнит, а на подключенном к проволоке амперметре можно наблюдать появление тока.
Формула, представленная Фарадеем, который открыл закон возникновения ЭДС, показывает, что возникающая электродвижущая сила пропорциональна магнитному потоку через данный контур.
Кратко говоря, суть работы трансформатора следующая – когда на первичную обмотку подается напряжение и по ней течет ток, возникает магнитное поле определенной величины. Оно распространяется по магнитопроводу или магнитному сердечнику, и генерирует во второй обмотке электрический ток, который пропорционален как величине магнитного поля, так и количеству витков проводника на второй обмотке. Главная характеристика устройства – его КПД.
Зависимость напряжения от количества витков
Возникающее напряжение и КПД в устройстве на второй обмотке напрямую зависит от количества витков на ней.
Рассмотрим наиболее распространенные разновидности, касающиеся этого вопроса:
- Разделительный трансформатор. Здесь электрическое соединение обмоток отсутствует, а количество витков на второй из них равно первой. То есть, n1 / n2 = 1.
- Понижающий. В этом случае на вторичной обмотке находится меньше витков проводника, чем на первичной, или n1 / n2 ˃ 1.
- Повышающий трансформатор. Здесь ситуация прямо противоположна предыдущему случаю на вторичной обмотке витков больше, чем на первичной n1 / n2 ˂ 1.
В некоторых устройствах есть возможность изменять режим работы и параметр n2 в зависимости от потребностей конечного потребителя и изменяющихся условий эксплуатации.
Из чего состоит трансформатор
Строение рассматриваемого технического приспособления уже было рассмотрено выше. Но возникает вопрос: а какие магнитные материалы применяются для обеспечения его бесперебойной работы?
Магнитные материалы
Магнитная система трансформаторов обычно делается из специальной электротехнической стали высокой степени чистоты. Используется она по той причине, что позволяет добиться максимальной передачи магнитного сигнала без больших потерь и увеличивает КПД устройства.
Также к популярным магнитным материалам относятся всевозможные сплавы с применением в их составе углерода и кремния, который позволяет значительно увеличить магнитную проницаемость материала.
Магнитопровод и его типы
Что касается магнитопровода, то он обычно делится на типы:
- Стержневой тип. Отличается ступенчатым сечением вертикального стержня, вписывающегося в окружность. На самих вертикальных элементах располагаются обмотки.
- Броневой тип. Здесь каждый стержень имеет прямоугольную форму в поперечном сечении и это же касается обмоток – они также прямоугольные. Производство таких элементов достаточно затруднено.
- Тороидальный тип. Отличается круглой формой и требует минимальное количество материала для изготовления. Сечение здесь круглое, а обмотка наматывается перпендикулярно направлению линий круга.
Есть и более углубленные классификации, но они представляют интерес больше для специалистов. Параметры разных типов магнитопроводов могут значительно отличаться.
Буквенные и схематические обозначения трансформатора
На всех электрических схемах трансформатор, равно как и его мощность и другие параметры, изображаются специальными символами и буквами. Само устройство изображается в виде двух проводков с несколькими витками, между которыми находится стержень в виде вертикальной линии.
Условные графические обозначения трансформаторов.
а – трансформатор без магнитопровода с постоянной связью,
б – трансформатор без магнитопровода с переменной связью,
в – трансформатор с магнитодиэлектрическим магнитопроводом,
г – трансформатор, подстраиваемый общим магнитодиэлектрическим магнитопроводом,
д – трансформатор со ступенчатым регулированием,
е – трансформатор однофазный с ферромагнитным магнитопроводом и экраном между обмотками,
ж – трансформатор дифференциальный (с отводом от средней точки одной обмотки),
з – трансформатор однофазный с ферромагнитным магнитопроводом трехобмоточный,
и – трансформатор трехфазный с ферромагнитным магнитопроводом, с соединением обмоток звезда – звезда с выведенной нейтральной (средней) точкой,
к – трансформатор трехфазный с ферромагнитным магнитопроводом, соединение обмоток звезда с выведенной нейтральной (средней) точкой – треугольник,
л – трансформатор трехфазный трехобмоточный с ферромагнитным магнитопроводом, с соединением обмоток звезда с регулированием под нагрузкой – треугольник – звезда с выведенной нейтральной (средней) точкой,
м – в развернутых обозначениях обмоток трансформаторов (Форма 2) допускается наклонное изображение линий связи, например, обмотка трансформатора с соединением обмоток звезда – треугольник,
н – трансформатор трехфазный трехобмоточный (фазорегулятор), соединение обмоток звезда – звезда,
о – трансформатор вращающийся, фазовращатель (обозначение соединения обмоток статора и ротора между собой производится в зависимости от назначения машины),
п – трансформаторная группа из трех однофазных двухобмоточных трансформаторов с соединением обмоток звезда – треугольник.
Что касается буквенных обозначений, то здесь все выглядит так:
- О – указывает на однофазное устройство,
- Т – трехфазное,
- С – воздушный тип охлаждения,
- М – масляное охлаждение,
- Д – смесь воздушной и масляной системы,
- Р – обозначает, что устройство с расщепленной обмоткой,
- А – автотрансформатор.
Есть и другие буквенные обозначения, и в целом их очень много.
Применение трансформаторов
Самая главная область использования рассматриваемого приспособления – это электросети, которые подают ток для домов, заводов, офисных помещений и т. д.
Электростанции используют силовые трансформаторы для того, чтобы подавать на потребителя ток не 16 кВ напряжения, каким они его принимают, а привычные 220-380 В.
Также устройство активно используется во всевозможном электрооборудовании, установках на производстве, в бытовой технике и источниках питания.