Трансформаторы

Трансформатор – это электромагнитный статический преобразователь с двумя или более неподвижными обмотками, который преобразует параметры переменного тока: напряжение, ток, частоту, число фаз. Возможно также применение трансформаторов для преобразования синусоидального переменного тока в несинусоидальный.

Преимущественное применение в электрических установках получили силовые трансформаторы, преобразующие напряжение переменного тока при неизменной частоте. Трансформаторы для преобразования не только напряжения переменного тока, но и его частоты, числа фаз и т. д. называют трансформаторными устройствами специального назначения. Отдельное

Измерительный трансформатор – электрический трансформатор, в котором при нормальных условиях применения вторичный ток (вторичное напряжение) практически пропорционален (пропорционально) первичному току (первичному напряжению), применяется в качестве измерительного преобразователя при измерениях больших токов, напряжений. У измерительных трансформаторов переменного тока при правильном включении разность фазовых углов на первичной и вторичной обмотках близка к нулю. К измерительным трансформаторам можно отнести широко используемые в автоматике и приборостроении трансформаторы гальванической развязки, которые не меняют ни фазу ни значение амплитуды напряжения

Измерительные трансформаторы классифицируются:

- по виду измеряемого значения: трансформаторы напряжения, трансформаторы тока; трансформаторы постоянного тока;

- по количеству коэффициентов трансформации: однодиапазонные, многодиапазонные

- по способу установки: внутренней установки, наружной установки, встроенные, накладные, переносные.

По материалу диэлектрика: масляные, газонаполненные, сухие

Силовые трансформаторы широко применяются в энергосистемах при передаче электроэнергии от электростанции к потребителям, а также в различных электроустановках для получения напряжений требуемой величины.

Трансформаторы разделяются, в зависимости от:

– числа фаз преобразуемого напряжения, на однофазные и многофазные (обычно трехфазные);

– числа обмоток, приходящихся на одну фазу трансформируемого напряжения, двухобмоточные и многообмоточные;

– способа охлаждения, на сухие (с воздушным охлаждением) масляные (погруженные в металлический бак, заполненный трансформаторным маслом).

Более подробно различные аспекты работы трансформатора будут рассматриваться в курсе «Теоретические основы электротехники». Акцентируем внимание только на основных аспектах, которые приходится использовать в электроники.

Работа принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции. Однофазный двухобмоточный трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода и двух обмоток. К первичной обмотке (клеммы 1-2) с числом витков w₁ активным сопротивлением провода r₁ и собственной индуктивностью L₁ прикладывается переменное напряжение U₁ c частотой f создающее ток I₁. На вторичной обмотке (клеммы 3-4) с числом витков w₂, сопротивлением провода r₂ и собственной индуктивностью L₂ посредством изменяющегося магнитного потока в сердечнике наводится ЭДС, создающая во вторичной цепи ток I₂ и падение напряжения U₂ на нагрузке Z. Между обмотками w₁ и w₂ действует взаимная индукция, обусловленная потоком Ф₀. Мерой взаимной индукции служит так называемая взаимная индуктивность М. Именно взаимная индуктивность отвечает за основное свойство трансформатора — преобразование переменного электрического тока. Она зависит от размеров обмоток, их взаимного расположения, проницаемости магнитопровода. Кроме того, в нашем трансформаторе имеются потоки рассеяния Ф_s1 и Ф_s2, сцепляющиеся только со своими обмотками.

Рис. Двухобмоточный трансформатор и его схема замещения

Чтобы получить основные законы работы трансформатора, поступим так, как это делается в электротехнике, – запишем уравнения:

, .

Введем понятие коэффициента трансформации, которым впоследствии будем постоянно пользоваться в наших расчетах:

Сделаем и некоторые другие обозначения, приведенные в табл. 3.3, преобразуем уравнения (1) к виду:

, .

и обратим внимание на рис. 12, на котором показана так называемая эквивалентная схема трансформатора с параметрами вторичной обмотки, приведенными к обмотке первичной.

Таблица

Формулы приведения к эквивалентной схеме

Наименование приведенного параметра	Формула приведения
Индуктивность рассеяния первичной обмотки	LSl = L – пМ
Приведенная индуктивность рассеяния вторичной обмотки	L'S2 = L2n2 - пМ
Индуктивность намагничивания	L0 = nM
Ток намагничивания магнитопровода	i0 = i0 – i2/п
Приведенное сопротивление вторичной обмотки	r'2 = r2п2
Приведенный ток вторичной обмотки	i'2 = i2/п
Приведенное напряжение вторичной обмотки	U'2 = U2n

Изучая эту эквивалентную схему, мы встречаем параметры, которые характерны и для дросселей, проводимость активных потерь в маг-нитопроводе g₀, собственные межвитковые емкости обмоток С₀₁ и С₀₂, индуктивности рассеяния ^L_Sl и ^L_Sl и межобмоточная емкость С₁₂.

Зачем нужна эквивалентная схема? Все дело в том, что если бы коэффициент трансформации всегда был равен 1, такой необходимости бы не возникло. Но подавляющее большинство трансформаторов имеет коэффициент трансформации, отличный от 1, а в таком случае анализировать нагруженный режим трансформатора в чистом виде, с реальными напряжениями и токами крайне неудобно. Тем более что сутью исследования трансформатора является изучение влияния вторичной обмотки на первичную. Выручает прием приведения параметров эквивалентной схемы к одной из обмоток. Здесь параметры первичной обмотки остаются неизменными, а вот параметры вторичной обмотки требуют пересчета по формулам, обозначенным в табл. 1.

Рис. 15. Фазировка обмоток трансформатора. а) направление намотки обмоток совпадает; б) направление намотки обмоток совпадает; в) U₄ = U₂ + U₃; в) U₄ = U₂ – U₃

На принципиальных электрических схемах всегда обозначают «начала» и «концы» обмоток трансформаторов. Начало принято помечать точкой, как показано на рис. 15. Эти точки обозначают «плюс» ЭДС, приложенных к обмоткам или возникающих в них.

Двухобмоточный трансформатор – лишь один из возможных конструкций трансформаторов. Достаточно часто встречаются многообмоточные варианты, у которых несколько вторичных обмоток. Многообмоточный трансформатор можно представить на эквивалентной схеме как множество параллельно соединенных нагрузок, пересчитанных в первичную обмотку, причем каждая – через свой коэффициент трансформации.

Существует несколько подходов обозначении трансформаторов на принципиальных электрических схемах.

Рис. Два подхода к обозначению трансформатора на принципиальных электрических схемах. а) однофазный трансформатор; б) трехфазный трансформатор

Конструктивные параметры трансформаторов выбирают из условия обеспечения допустимого падения напряжения на обмотках и допустимого перегрева обмоток. При выборе типоразмера магнитопровода и марки материала определяющими являются трансформируемая мощность и частота тока. В диапазоне частот от 50 Гц до 10 кГц используются стали, свыше 10 кГц – ферриты и магнитодиэлектрики, от 5 кГц до нескольких сотен килогерц – сплавы.

К основным параметрам трансформатора относят номинальные значения напряжения первичной и вторичных обмоток; мощность трансформатора, ток холостого хода, напряжение холостого хода вторичной обмотки, напряжение вторичной обмотки при номинальном токе, номинальная частота, напряжение короткого замыкания, КПД трансформатора. Для многообмоточных трансформаторов обязательным является порядок обозначения обмоток трансформатора. По номинальным напряжениям и мощности выбирают требуемый тип трансформатора. По параметрам холостого хода и короткого замыкания рассчитывают параметры схемы замещения трансформатора. При выборе трансформатора немаловажным является режим работы трансформатора. Для работы в составе импульсных блоков питания требуются трансформаторы, в которых магнитопровод имеет воздушный зазор. В противном случае это приводит к снижению эффективности работы магнитопровода и перегреву из-за остаточной намагниченности.