Электрический трансформатор

Электрический трансформатор
Тип прибора	электрическое устройство
Принцип работы	электромагнитная индукция
Разработчик	Яблочков, Павел Николаевич

Электри́ческий трансформа́тор (от лат. transformare — «превращать, преобразовывать») — статическое (не имеющее движущихся частей) электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на общем 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. (Поскольку в данной статье другие виды трансформаторов не рассматриваются, в дальнейшем в тексте используется термин «трансформатор», опуская уточнение «электрический»).

Трансформатор осуществляет преобразование переменного напряжения в самых различных областях применения — электроэнергетике, электронике и радиотехнике. Кроме того, трансформатор (за исключением автотрансформатора) может использоваться в качестве гальванической развязки между участками электрической цепи.

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 магнитомягкого материала.

В некоторых трансформаторах, работающих на высоких или сверхвысоких частотах, магнитопровод может отсутствовать.

История

Трансформатор Фарадея

В 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции. 29 августа 1831 года Фарадей описал в своём дневнике опыт, в ходе которого он намотал на железное кольцо диаметром 15 см и толщиной 2 см два медных провода длиной 15 и 18 см. При подключении к зажимам одной обмотки батареи гальванических элементов начинал отклоняться гальванометр на зажимах другой обмотки. Так как Фарадей работал с постоянным током, для возобновления эффекта трансформации требовалось отключить и вновь подключить батарею к первичной обмотке.

Александр Григорьевич Столетов (профессор Московского университета) открыл явление гистерезиса и доменную структуру ферромагнетика (1872 год).

Дата получения патента Павлом Николаевичем Яблочковым (30 ноября 1876 года), считается датой рождения первого трансформатора переменного тока. Это был трансформатор с разомкнутым сердечником, представлявшим собой стержень, на который наматывались обмотки.

Первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 году братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон.

В 1885 году венгерские инженеры фирмы «Ганц и К°» Отто Блати, Карой Циперновский и Микша Дери изобрели трансформатор с замкнутым магнитопроводом, что стало важным этапом роль в дальнейшем развитии конструкций трансформаторов.

В 1886 году братья Гопкинсон разработали теорию электромагнитных цепей и предоставили методику расчета магнитных цепей.

Эптон, сотрудник Эдисона, предложил делать сердечники наборными из отдельных листов, чтобы снизить потери на вихревые токи.

Большую роль в повышении надёжности трансформаторов сыграло введение масляного охлаждения (конец 1880-х годов, Д. Свинберн). Свинберн помещал трансформаторы в заполненные маслом керамические сосуды, что значительно повышало надёжность изоляции обмоток.

С изобретением трансформатора возник технический интерес к переменному току. Российский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский в 1889 году предложил трёхпроводную трёхфазную систему переменного тока, построил первый трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутой обмоткой типа «беличья клетка» и трёхфазной обмоткой на роторе, первый трёхфазный трансформатор с тремя стержнями магнитопровода, расположенными в одной плоскости. На электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891 году Доливо-Добровольский демонстрировал опытную передачу трёхфазного электрического тока по высоковольтной линии протяжённостью 175 км.

В начале 1900-х годов английский исследователь-металлург Роберт Хедфилд провёл серию экспериментов для установления влияния добавок на свойства железа. Спустя несколько лет ему удалось поставить заказчикам первую тонну трансформаторной стали с добавками кремния.

Следующий крупный скачок в технологии производства сердечников трансформаторов был сделан в начале 30-х годов XX века, когда американский металлург Норман П. Гросс установил, что при комбинированном воздействии прокатки и нагревания у кремнистой стали улучшаются магнитные свойства вдоль направления прокатки: магнитное насыщение увеличивалось на 50 %, потери на гистерезис сокращались в 4 раза, а магнитная проницаемость возрастала в 5 раз.

Принцип действия

Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:

• электромагнетизм — изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле;
• электромагнитная индукция — изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт электродвижущую силу (ЭДС) в этой обмотке.

На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся переменное напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток намагничивания создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе. В результате электромагнитной индукции переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках ЭДС индукции (в первичной обмотке ЭДС самоиндукции), пропорциональную первой производной магнитного потока.

Принцип действия трансформатора

В соответствии с законом Фарадея для двухобмоточного трансформатора будет справедливо следующее соотношение:

$U_{2}=-N_{2}{\frac {d\Phi }{dt}}~,$

где:

$U_{2}$ — напряжение на вторичной обмотке;

$N_{2}$ — число витков во вторичной обмотке;

$\Phi$ — суммарный магнитный поток через один виток обмотки.

Если витки обмотки расположены перпендикулярно линиям магнитного поля, то поток будет пропорционален магнитному полю $B$ и площади $S$, через которую он проходит.

В общем случае для однородного поля и плоской поверхности сечения магнитный поток рассчитывается как $\Phi =B\,S\,\cos \alpha$, где $\alpha$ — угол между вектором магнитной индукции и нормалью к плоскости сечения.

ЭДС, создаваемая в первичной обмотке, соответственно равна:

$U_{1}=-N_{1}{\frac {d\Phi }{dt}}~,$

где:

$U_{1}$ — мгновенное значение напряжения на концах первичной обмотки;

$N_{1}$ — число витков в первичной обмотке.

Режимы работы трансформатора

Ниже перечислены основные режимы работы трансформатора:

• Режим холостого хода. Данный режим характеризуется разомкнутой вторичной цепью трансформатора, вследствие чего ток в ней не течёт. По первичной обмотке протекает ток холостого хода, главной составляющей которого является реактивный ток намагничивания. На практике этот режим используется в измерительных трансформаторах напряжения. Посредством опыта холостого хода можно определить КПД трансформатора, коэффициент трансформации, а также потери в сердечнике (так называемые «потери в стали»).
  Для трансформатора без ферромагнитного сердечника потери на перемагничивание отсутствуют, а ток холостого хода определяется сопротивлением индуктивности первичной обмотки, которое пропорционально частоте переменного тока и величине индуктивности.
• Режим короткого замыкания. Этот режим получается в результате замыкания вторичной цепи накоротко. Фактически, это разновидность режима нагрузки, при котором единственной нагрузкой является сопротивление вторичной обмотки. Посредством опыта короткого замыкания можно определить потери на нагрев обмоток в цепи трансформатора («потери в меди»). Это явление учитывается в схеме замещения реального трансформатора включением в схему активного сопротивления. Данный режим широко используется в измерительных трансформаторах тока.
• Режим нагрузки. Этот режим характеризуется работой трансформатора с подключённой нагрузкой во вторичной цепи трансформатора. Во вторичной обмотке протекает ток нагрузки, а в первичной — ток, который можно представить как сумму тока нагрузки (пересчитанного из соотношения числа витков обмоток и вторичного тока) и тока холостого хода. Данный режим является основным рабочим режимом трансформатора.

Общие характеристики трансформатора

К основным техническим характеристикам трансформаторов можно отнести:

• номинальную мощность — максимальную мощность, при которой устройство может работать без перегрузки или повреждения;
• номинальное напряжение обмоток — напряжение, на которое они рассчитаны в условиях нормальной работы. Обычно вторичная обмотка имеет номинальное напряжение, соответствующее требуемому напряжению для подключения нагрузки, а первичная обмотка имеет номинальное напряжение, соответствующее напряжению сети, к которой будет подключен трансформатор;
• номинальный ток обмоток — наибольший допустимый ток, при котором оборудование может работать неограниченно длительное время;
• коэффициент трансформации;
• коэффициент полезного действия (КПД);
• число обмоток;
• рабочую частоту;
• количество фаз.

Мощность

Схематичное изображение сдвига фаз между током и напряжением.

Мощность является одним из главных параметров трансформаторов. В паспортных (заводских) данных трансформатора указывается его полная мощность, которая учитывает как активную, так и реактивную составляющую мощности. Значения полной и активной мощности связаны между собой следующим соотношением:

$P=S\cdot \cos \varphi$,

где:

$S$ — полная мощность,

$P$ — активная мощность,

$\varphi$ — угол сдвига фаз между током и напряжением в обмотках.

Измеряется полная мощность в единицах BA (вольт-ампер). Для трансформаторов больших мощностей используются кратные величины:

• киловольт-ампер — кВА (10³ BA);
• мегавольт-ампер — МВА (10⁶ BA).

На практике используют понятие габаритной мощности трансформатора, которая зависит от типа используемого магнитопровода, количества и диаметра витков в обмотках, то есть от массогабаритных показателей устройства.

Габаритная мощность трансформатора описывается следующей формулой:

$P_{gab}={\frac {P_{1}+P_{2}}{2}}={\frac {U_{1}I_{1}+U_{2}I_{2}}{2}},$ где

$P_{1}$ — активная мощность первичной обмотки (входная);

$P_{2}$ — активная мощность вторичной обмотки (выходная);

$U_{1}$ и $I_{1}$ — значения активных составляющих напряжения и тока в первичной обмотке;

$U_{2}$ и $I_{2}$ — значения активных составляющих напряжения и тока во вторичной обмотке.

КПД трансформатора

Коэффициентом полезного действия трансформатора $\eta$ называют отношение мощности $P_{2}$, отдаваемой в нагрузку, к мощности $P_{1}$, поступающей в первичную обмотку:

$\eta =P_{2}/P_{1}$ $=(P_{1}-\Delta P)/P_{1},$

где $\Delta P$ — суммарные потери в трансформаторе.

В трансформаторах малой мощности в связи с относительным увеличением потерь КПД существенно меньше, чем в трансформаторах большой мощности. Его значение составляет 0,6—0,8 (60-80%) для трансформаторов с активной мощностью менее 50 Вт; при мощности 100—500 Вт и выше КПД составляет порядка 0,90-0,92 (90-92%).

Коэффициент трансформации

Для силовых трансформаторов ГОСТ 16110-82 определяет коэффициент трансформации как «отношение напряжений на зажимах двух обмоток в режиме холостого хода» и «принимается равным отношению чисел их витков». Определяется как отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной:

$k=N_{1}/N_{2}$

Для трансформаторов тока коэффициент трансформации определяется как отношение номинальных значений первичного и вторичного токов.

Виды конструкций трансформаторов

Схематичное изображение конструкций трансформаторов. Вверху однофазный и трёхфазный трансформаторы со стержневым сердечником. Внизу однофазный и трёхфазный трансформаторы с броневым сердечником.

Основными частями конструкции трансформатора являются:

• магнитопровод;
• обмотки;
• каркас для обмоток;
• изоляция;
• система охлаждения;
• прочие элементы (для монтажа, доступа к выводам обмоток, защиты трансформатора и так далее).

Магнитопровод (сердечник) трансформатора может быть выполнен в следующем исполнении:

• стержневой;
• броневой;
• тороидальный.

Обмотки трансформатора стержневого типа заключают в себе сердечник, сердечник броневого типа заключает в себе обмотки.

Исполнение магнитопровода не влияет на эксплуатационные характеристики или эксплуатационную надёжность трансформатора, имеются лишь различия в процессе их изготовления.

Классификация трансформаторов

По своему назначению трансформаторы подразделяются на следующие основные типы:

• силовой трансформатор;
• автотрансформатор;
• трансформатор Теслы;
• измерительный трансформатор;
• трансформатор напряжения;
• трансформатор тока;
• пик-трансформатор.

Силовой трансформатор

Силовой трансформатор используется для непосредственного преобразования напряжения в цепях переменного тока. Термин «силовой» характеризует отличие силовых трансформаторов от измерительных и специальных. Силовые трансформаторы предназначены для преобразования электрической энергии в электрических сетях, а также для использования в блоках электропитания радио- и электроаппаратуры.

Автотрансформатор

Автотрансформатор

Автотрансформатор — вариант трансформатора, в котором вторичная обмотка является частью первичной. Недостатком подобной конструкции является отсутствие гальванической развязки между обмотками, достоинством является меньший расход стали для сердечника, меди для обмоток, меньший вес и габариты, и в итоге меньшая стоимость.

Регулирующие автотрансформаторы, благодаря возможности механического перемещения точки отвода вторичного напряжения, позволяют изменять вторичное напряжение от нуля до номинала первичной обмотки или выше, а также поддерживать вторичное напряжение постоянным при изменении первичного напряжения.

Трансформатор Теслы

Трансформатор Теслы представляет собой два связанных колебательных контура, что и определяет его свойства и является главным его отличием от обычных трансформаторов. Применяется для получения высокого напряжения высокой частоты.

Измерительный трансформатор

Измерительный трансформатор предназначен для измерения и контроля (например, в системах релейной защиты сетей) напряжения, тока или фазы электрического сигнала переменного тока промышленной частоты (50 или 60 Гц) в контролируемой цепи.

Применяется в тех случаях, когда непосредственное подключение измерительного прибора неудобно или невозможно; например, при измерении очень больших токов или напряжений. Также применяется для обеспечения гальванической изоляции первичной цепи, в которой производится измерение, от измерительной или контролирующей цепи.

Трансформатор напряжения

Трансформатор напряжения — понижающий измерительный трансформатор, предназначенный для безопасного измерения напряжения величиной свыше 1 кВ. Нормальным режимом работы трансформатора напряжения является режим холостого хода (работа на высокоомную нагрузку, например, вольтметр). Первичная обмотка трансформатора включается параллельно нагрузке и рассчитана на номинальное напряжение электроустановки, а напряжение вторичной обмотки стандартизировано, что позволяет легко масштабировать шкалу измерительного прибора.

Трансформатор тока

Трансформатор тока представляет собой понижающий трансформатор, предназначенный для преобразования тока большой величины до меньшего значения, удобного для измерения. Первичной обмоткой трансформатора тока является проводник с измеряемым переменным током, а ко вторичной обмотке подключается измерительный прибор с малым сопротивлением, например, амперметр, поэтому фактически вторичная обмотка трансформатора работает в режиме, близком к короткому замыканию.

Пик-трансформатор

Пик-трансформатор преобразует напряжение синусоидальной формы (или близкой к синусоидальной), подаваемое в первичную обмотку трансформатора, в разнополярные импульсы напряжения той же частоты, снимаемые со вторичной обмотки.

Предназначен для управления газоразрядными приборами, например, ртутными выпрямителями, тиратронами, тиристорами и в других целях.

Применение

Трансформаторная подстанция 110kV/10kV

Наиболее часто трансформаторы применяются в электросетях и в источниках питания различных приборов. Для уменьшения потерь при передаче электроэнергии на большие расстояния в линиях электропередач используют высокие напряжения и небольшие токи.

Для транспортировки электроэнергии в электросетях многократно используются силовые трансформаторы: сначала для повышения напряжения генераторов на электростанциях перед транспортировкой электроэнергии, а затем для понижения напряжения линии электропередач до приемлемого для потребителей уровня.

Применение в источниках электропитания

Для питания разных узлов электроприборов требуются самые разнообразные напряжения. Блоки электропитания в устройствах, которым необходимо несколько напряжений различной величины, содержат трансформаторы с несколькими вторичными обмотками или содержат в схеме несколько трансформаторов.

В схемах питания современных радиотехнических и электронных устройств (например в блоках питания персональных компьютеров) широко применяются высокочастотные импульсные трансформаторы. В импульсных блоках питания переменное напряжение сети сначала выпрямляется, а затем преобразуется посредством инвертора в высокочастотные импульсы. Импульсы высокой частоты подаются на импульсный трансформатор, на выходе с которого после выпрямления и фильтрации получается стабильное постоянное напряжение, поскольку система управления с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) управляет скважностью высокочастотных импульсов по принципу отрицательной обратной связи.

Другие применения трансформатора

Применение трансформаторов в двухтактном усилителе.

Согласующие трансформаторы применяются для подключения низкоомной нагрузки к каскадам электронных устройств, имеющим высокое выходное сопротивление. Например, высоким выходным сопротивлением может обладать выходной каскад усилителя звуковой частоты, особенно, если он собран на лампах, в то время как динамики имеют очень низкое сопротивление.

Фазоинвертирующие трансформаторы

Фазоинвертирующие трансформаторы применяются в двухтактных выходных каскадах усилителей для подачи противоположных по полярности сигналов на базы двух транзисторов каскада (одно из применений).

Принцип работы заключается в том, что если среднюю точку вторичной обмотки трансформатора подключить к общему проводу, то напряжения на двух крайних выводах этой обмотки будет противоположны по фазе.

Литература

А. Л. Кислицын. Трансформаторы:Учебное пособие по курсу «Электромеханика» (рус.). — Ульяновск: УлГТУ, 2001. — 76 с. — ISBN 5-89146-202-8.