Принцип действия трансформатора.
Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:
- изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм)
- изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция)
На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС.
Отношение действующих ЭДС в обмотках определяется выражением
E1 / E2 = w1 / w2, где
w1 и w2 число витков в первой и второй обмотках
Если пренебречь падениями напряжения в обмотках трансформатора, которые обычно не превышают 3-5 % от номинальных значений U1 и U2, и считать E1≈U1 и E2≈U2, то
U1 / U2 ≈ w1 / w2 .
Следовательно, подбирая соответствующим образом числа витков обмоток, при заданном напряжении U1 можно получить желаемое напряжение U2. Если необходимо повысить вторичное напряжение, то число витков w2 берут больше числа w1; такой трансформатор называют повышающим. Если требуется уменьшить напряжение U2, то число витков w2 берут меньшим w1; такой трансформатор называют понижающим.
Отношение ЭДС Eвн обмотки высшего напряжения к ЭДС Енн обмотки низшего напряжения (или отношение их чисел витков) называют коэффициентом трансформации
. Коэффициент n всегда больше единицы.
Полная мощность потребляемая из сети
S1 = U1 I1 ,
практически полностью выделяется на нагрузке
S1 = U1 I1 ≈ S2 = U2 I2 .
Поэтому соотношения между токами и напряжениями на первичной и вторичной обмотках трансформатора.
U1 / U2 = I2 / I1 = w1 / w2 = n .
Конструкция трансформаторов.
Основными частями конструкции трансформатора являются:
- магнитопровод
- обмотки
- каркас для обмоток
- изоляция
- система охлаждения
- прочие элементы (для монтажа, доступа к выводам обмоток, защиты трансформатора и т.п.)
В практической конструкции трансформатора производитель выбирает между тремя различными базовыми концепциями.
- стержневой а)
- броневой б)
- тороидальный в)
Стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки. Часть магнитопровода, на которой обмотки отсутствуют, называют ярмом. Трансформаторы большой и средней мощности обычно выполняют стержневыми. Они имеют лучшие условия охлаждения и меньшую массу, чем броневые.
Для уменьшения потерь от вихревых токов, магнитопроводы трансформаторов собирают из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,28-0,5 мм при частоте 50 Гц.
Трансформаторы малой мощности и микротрансформаторы часто выполняют броневыми, так как они имеют более низкую стоимость по сравнению со стержневыми трансформаторами из-за меньшего числа катушек и упрощения сборки и изготовления. Применяют также и маломощные трансформаторы стержневого типа с одной или двумя катушками. Преимущество тороидальных трансформаторов – отсутствие в магнитной системе воздушных зазоров, что значительно уменьшает магнитное сопротивление магнитопровода. В трансформаторах малой мощности магнитопровод собирают из штамповых пластин П-, Ш- и О- образной формы. Широкое применение получили магнитопроводы, навитые из узкой ленты электротехнической стали или из специальных железоникелевых сплавов типа пермаллой. Их можно использовать для стержневых, броневых, тороидальных и трёхфазных трансформаторов.
Монолитность конструкции ленточного магнитопровода обеспечивается путём применения клеющих лаков и эмалей.
Обмотка — совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируются ЭДС, наведённые в витках. В трёхфазном трансформаторе под обмоткой обычно подразумевают совокупность обмоток одного напряжения трёх фаз, соединяемых между собой.
Сечение проводника обмотки в силовых трансформаторах обычно имеет квадратную форму для наиболее эффективного использования имеющегося пространства (для увеличения коэффициента заполнения в окне сердечника). При увеличении площади сечения проводника он может быть разделён на два и более параллельных проводящих элементов с целью снижения потерь на вихревые токи в обмотке и облегчения функционирования обмотки. Проводящий элемент квадратной формы называется жилой.
