Принцип работы трансформатора простым языком. Как работает трансформатор. Принцип действия трансформатора

Трансформатор - незаменимое устройство в электротехнике.

Без него энергосистема в ее нынешнем виде не могла бы существовать.

Присутствуют эти элементы и во многих электроприборах.

Желающим познакомиться с ними поближе предлагается данная статья, тема которой - трансформатор: принцип работы и виды приборов, а также их назначение.

Так называют устройство, изменяющее величину переменного электрического напряжения. Существуют разновидности, способные менять и его частоту.

Таким аппаратами оснащают многие приборы, также они применяются в самостоятельном виде.

Например, установки, повышающие напряжение для передачи тока по электромагистралям.

Генерируемое электростанцией напряжение они поднимают до 35 – 750 кВ, что дает двойную выгоду:

• уменьшаются потери в проводах;
• требуются провода меньшего сечения.

В городских электросетях напряжение снова уменьшается до величины в 6,1 кВ, опять же с использованием . В распределительных сетях, раздающих электричество потребителям, напряжение понижают до 0,4 кВ (это привычные нам 380/).

Принцип работы

Работа трансформаторного устройства основана на явлении электромагнитной индукции, состоящей в следующем: при изменении параметров магнитного поля, пересекающего проводник, в последнем возникает ЭДС (электродвижущая сила). Проводник в трансформаторе присутствует в форме катушки или обмотки, и общая ЭДС равна сумме ЭДС каждого витка.

Для нормальной работы требуется исключить электрический контакт между витками, потому используют провод в изолирующей оболочке. Эту катушку называют вторичной.

Магнитное поле, необходимое для генерации во вторичной катушке ЭДС, создается другой катушкой. Она подключается к источнику тока и называется первичной. Работа первичной катушки основана на том факте, что при протекании через проводник тока, вокруг него формируется электромагнитное поле, а если он смотан в катушку, оно усиливается.

Как работает трансформатор

При протекании через катушку параметры электромагнитного поля не меняются и оно неспособно вызвать ЭДС во вторичной катушке. Поэтому трансформаторы работают только с переменным напряжением.

На характер преобразования напряжения влияет соотношение количества витков в обмотках – первичной и вторичной. Его обозначают «Кт» – коэффициент трансформации. Действует закон:

Кт = W1 / W2 = U1 / U2,

• W1 и W2 - количество витков в первичной и вторичной обмотках;
• U1 и U2 - напряжение на их выводах.

Следовательно, если в первичной катушке витков больше, то напряжение на выводах вторичной ниже. Такой аппарат называют понижающим, Кт у него больше единицы. Если витков больше во вторичной катушке - трансформатор напряжение повышает и называется повышающим. Его Кт меньше единицы.

Большой силовой трансформатор

Если пренебречь потерями (идеальный трансформатор), то из закона сохранения энергии следует:

P1 = P2,

где Р1 и Р2 - мощность тока в обмотках.

Поскольку P = U * I , получим:

• U1 * I1 = U2 * I2;
• I1 = I2 * (U2 / U1) = I2 / Кт.

Это означает:

• в первичной катушке понижающего устройства (Кт > 1) протекает ток меньшей силы, чем в цепи вторичной;
• с повышающими трансформаторами (Кт < 1) все наоборот: сила тока в первичной катушке выше, чем в цепи вторичной.

Данное обстоятельство учитывают при подборе сечения проводов для обмоток аппаратов.

Конструкция

Трансформаторные обмотки надевают на магнитопровод - деталь из ферромагнитной, трансформаторной или иной магнитомягкой стали. Он служит проводником электромагнитного поля от первичной катушки ко вторичной.

Под действием переменного магнитного поля в магнитопроводе также генерируются токи - они называются вихревыми. Эти токи приводят к потерям энергии и нагреву магнитопровода. Последний, с целью свести данное явление к минимуму, набирают из множества изолированных друг от друга пластин.

На магнитопроводе катушки располагают двояко:

• рядом;
• наматывают одну поверх другой.

Обмотки для микротрансформаторов изготавливают из фольги толщиной 20 – 30 мкм. Ее поверхность в результате окисления становится диэлектриком и играет роль изоляции.

Конструкция трансформатора

На практике добиться соотношения Р1 = Р2 невозможно из-за потерь трех видов:

1. рассеивание магнитного поля;
2. нагрев проводов и магнитопровода;
3. гистерезис.

Потери на гистерезис - это затраты энергии на перемагничивание магнитопровода. Направление силовых линий электромагнитного поля постоянно меняется. Каждый раз приходится преодолевать сопротивление диполей в структуре магнитопровода, выстроившихся определенным образом в предыдущей фазе.

Потери на гистерезис стремятся уменьшить, применяя разные конструкции магнитопроводов.

Итак, в реальности величины Р1 и Р2 отличаются и соотношение Р2 / Р1 называют КПД устройства. Для его измерения используются следующие режимы работы трансформатора:

• холостого хода;
• короткозамкнутый;
• с нагрузкой.

В некоторых разновидностях трансформаторов, работающих с напряжением высокой частоты, магнитопровод отсутствует.

Режим холостого хода

Первичная обмотка подключена к источнику тока, а цепь вторичной разомкнута. При таком подключении в катушке течет ток холостого хода, в основном представляющий реактивный ток намагничивания.

Такой режим позволяет определить:

• КПД устройства;
• коэффициент трансформации;
• потери в магнитопроводе (на языке профессионалов - потери в стали).

Схема трансформатора в режиме холостого хода

Короткозамкнутый режим

Выводы вторичной обмотки замыкают без нагрузки (накоротко), так что ток в цепи ограничивается лишь ее сопротивлением. На контакты первичной подают такое напряжение, чтобы ток в цепи вторичной обмотки не превышал номинального.

Такое подключение позволяет определить потери на нагрев обмоток (потери в меди). Это необходимо при реализации схем с применением вместо реального трансформатора активного сопротивления.

Режим с нагрузкой

В этом состоянии к выводам вторичной обмотки подключен потребитель.

Охлаждение

В процессе работы трансформатор греется.

Применяют три способа охлаждения:

1. естественное: для маломощных моделей;
2. принудительное воздушное (обдув вентилятором): модели средней мощности;
3. мощные трансформаторы охлаждаются при помощи жидкости (в основном используют масло).

Прибор с масляным охлаждением

Виды трансформаторов

Аппараты классифицируются по назначению, типу магнитопровода и мощности.

Силовые трансформаторы

Наиболее многочисленная группа. К ней относятся все трансформаторы, работающие в энергосети.

Автотрансформатор

У этой разновидности между первичной и вторичной обмотками имеется электрический контакт. При намотке провода делают несколько выводов - при переключении между ними задействуется разное число витков, отчего меняется коэффициент трансформации.

• Повышенный КПД . Объясняется тем, что преобразованию подвергается только часть мощности. Это особенно важно при незначительной разнице между напряжением на входе и выходе.
• Низкая стоимость. Это обусловлено меньшим расходом стали и меди (автотрансформатор имеет компактные размеры).

Эти устройства выгодно применять в сетях напряжением 110 кВ и более с эффективным заземлением при Кт не выше 3-4.

Трансформатор тока

Используется для снижения силы тока в подключенной к источнику питания первичной обмотке. Устройство находит применение в защитных, измерительных, сигнальных и управляющих системах. Преимущество в сравнении с шунтовыми схемами измерения, состоит в наличии гальванической развязки (отсутствие электроконтакта между обмотками).

Первичная катушка включается в цепь переменного тока – исследуемую или контролируемую – с нагрузкой последовательно. К выводам вторичной обмотки подключают исполнительное индикаторное устройство, к примеру, реле, или прибор измерения.

Трансформатор тока

Допустимое сопротивление в цепи вторичной катушки ограничено мизерными значениями - почти короткое замыкание. У большинства токовых величина номинального тока в этой катушке составляет 1 или 5 А. При размыкании цепи в ней формируется высокое напряжение, способное пробить изоляцию и повредить подключенные приборы.

Импульсный трансформатор

Работает с короткими импульсами, продолжительность которых измеряется десятками микросекунд. Форма импульса практически не искажается. В основном используются в видеосистемах.

Сварочный трансформатор

Данное устройство:

• понижает напряжение;
• рассчитано на номинальный ток в цепи вторичной обмотки до тысяч ампер.

Регулировать сварочный ток можно изменением числа витков обмоток, задействованных в процессе (они имеют по нескольку выводов). При этом изменяется величина индуктивного сопротивления или вторичное напряжение холостого хода. Посредством дополнительных выводов обмотки разбиты на секции, потому регулировка сварочного тока осуществляется ступенчато.

Габариты трансформатора во многом зависят от частоты переменного тока. Чем она выше, тем более компактным получится устройство.

Сварочный трансформатор ТДМ 70-460

На этом принципе основано устройство современных инверторных сварочных аппаратов. В них переменный ток перед подачей на трансформатор подвергается обработке:

• выпрямляется посредством диодного моста;
• в инверторе - управляемом микропроцессором электронном узле с быстро переключающимися ключевыми транзисторами - снова становится переменным, но уже с частотой 60 – 80 кГц.

Потому эти сварочные аппараты такие легкие и небольшие.

Также устроены блоки питания импульсного типа, например, в ПК.

Разделительный трансформатор

В этом устройстве обязательно присутствует гальваническая развязка (нет электрического контакта между первичной и вторичной обмотками), а Кт равен единице. То есть разделительный трансформатор напряжение оставляет неизменным. Он необходим для повышения безопасности подключения.

Прикосновение к токоведущим элементам оборудования, подключенного к сети через такой трансформатор, к сильному удару током не приведет.

В быту такой способ подключения электроприборов уместен во влажных помещениях- в ванных и пр.

Кроме силовых трансформаторов, существуют сигнальные разделительные. Они устанавливаются в электроцепи для гальванической развязки.

Магнитопроводы

Бывают трех видов:

1. Стержневые. Выполнены в виде стержня ступенчатого сечения. Характеристики оставляют желать лучшего, но зато просты в исполнении.
2. Броневые. Лучше стержневых проводят магнитное поле и вдобавок защищают обмотки от механических воздействий. Недостаток: высокая стоимость (требуется много стали).
3. Тороидальные. Наиболее эффективная разновидность: создают однородное сконцентрированное магнитное поле, чем способствуют уменьшению потерь. Трансформаторы с тороидальным магнитопроводом имеют наибольший КПД, но они дороги из-за сложности изготовления.

Мощность

Мощность принято обозначать в вольт-амперах (ВА). По данному признаку устройства классифицируются так:

• маломощные: менее 100 ВА;
• средней мощности: несколько сотен ВА;

Существуют установки большой мощности, измеряемой в тысячах ВА.

Трансформаторы отличаются назначением и характеристиками, но принцип действия у них одинаков: переменное магнитное поле, генерируемое одной обмоткой, возбуждает во второй ЭДС, величина которого зависит от числа витков.

Необходимость в преобразовании напряжения возникает очень часто, потому трансформаторы получили самое широкое распространение. Данное устройство можно изготовить самостоятельно.

Для того, чтобы в домашних условиях самостоятельно повысить эффективность работы многих устройств и напряжение в электрической сети, часто используются регулирующие устройства. Предлагаем, в связи с этим, рассмотреть принцип работы трансформатора тока понижающего, повышающего, импульсного, Тесла, а также автотрансформатора.

Принцип работы и классификация трансформаторов

Принцип работы измерительного трансформатора (как и разделительного), очень прост. Он подчиняется закону Фарадея электромагнитной индукции. На самом деле взаимная индукция между двумя или более обмотками отвечает за действия преобразования в электрическом трансформаторе.

В соответствии с этим, закон Фарадея гласит: «скорость изменения потокосцепления по времени прямо пропорциональна наведенной ЭДС в проводнике или катушки».

Основы теории трансформатора

Скажем, у нас трансформатор с одной обмоткой, которая соединена с переменным электрическим источником тока. Переменный ток через обмотку производит постоянно меняющийся поток, который окружает катушку. Если любая другая обмотка приближена к предыдущей, определенная часть потока соединяется с ней. Этот поток постоянно меняется в амплитуде и направлении, но в этих случаях должно происходить изменение потокосцепления во вторую обмотку или обмотки.

Согласно закону Фарадея электромагнитной индукции, должно быть ЭДС, которое индуцируется раз в секунду. Если цепь последней обмотки закрыта, то через неё должен проходить электрический ток. Это простейший принцип работы электрического силового или сварочного трансформатора и это основной принцип работы трансформатора.

Схема силового трансформатора

Всякий раз, когда мы используем движение переменного тока к электрической катушки, поток энергии окружает эту обмотку. Поток тока будет неравномерным, и скорость его постоянно изменяется. Естественно ЭКГ будет производиться в нем, как в законе Фарадея, где говорится о явлении электромагнитной индукции. Это наиболее фундаментальное понятие теории трансформатора

Обмотка, которая принимает электрическую мощность от источника, как правило, известна как первичная обмотка трансформатора.

Обмотка, что дает требуемое выходное напряжение из-за взаимной индукции в трансформаторе, называется вторичной обмоткой трансформатора.

Основные конструкционные части трансформатора

Существует три основные части трансформатора:

1. Первичная обмотка трансформатора – производит магнитный поток, когда подключена к электрическому источнику.
2. Магнитный сердечник трансформатора – магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, создает замкнутую магнитную цепь.
3. Вторичная обмотка трансформатора – намотана на сердечник.

Как работает силовой или сварочный трансформатор

Электрический силовой трансформатор является статическим устройством, которое преобразует электрическую энергию от одной схемы к другой без непосредственного соединения, с помощью взаимной индукции между своих обмоток. Он преобразует энергию от одной схемы к другой, не меняя свою частоту, но может работать в разных уровнях напряжения, например если сварщик поменял флюс, или произошел сбой генератора при сварке.

Трехфазный трансформатор

Работа однофазного трансформатора напряжения

Принцип работы однофазного трансформатора не слишком отличается от трехфазного понижающего прибора. Когда электрический ток проходит в первичной обмотке, она создает МП, у которого достаточно мощные силовые линии. Они пронизывают первичную катушку полностью, и вторичную частично. Все эти линии замкнуты вокруг проводников катушек, но их часть замкнута непосредственно на проводниках.

Видео: наглядный урок, который рассказывает о принципе работы трансформатора

Согласно закону о магнитной связи, чем ближе объекты друг к другу, тем сильнее эта связь, но чем они дальше расположены – тем она слабее, и так пока не станет нулевой. Это объясняется тем, что при расположении коаксиального типа, чем обмотки расположены дальше, тем меньше сцепление силовых линий и их проникновение в трансформаторные катушки.

Схема: однофазный трансформатор

Нужно понимать, что в однофазном трансформаторе сила магнитного поля также зависит от тока. Скачки переменного электрического тока могут значительно снизить силу МП, или наоборот. Это еще называется законом электродвижущей силы. Т.е. в первой обмотке производится самоиндукция, а во вторичной – взаимоиндукция.

Как только концы этих обмоток соединятся – устройство, которому необходимо получить результаты работы трансформатора, станет снабжаться электрическим током, принцип работы будет запущен, в определенной последовательности катушки начнут работать.

Работа автотрансформатора

Чаще всего в домашних условиях используется трансформатор не с двумя обмотками, а с одной. Рассмотрим принцип работы электронного автотрансформатора (вольтодобавочного трансформатора), и его характеристики. Данные устройства относятся к трансформаторам специального использования, т.к. их обмотка низкого напряжения у обычных трансформаторов, является обмоткой высокого напряжения, те они связаны между собой не только магнитным полем, но и гальваническим.

Схема: автотрансформатор

Переключая обмотки при желании можно получить либо высокое, либо низкое напряжение. Подключая источник переменного тока к сердечнику, мы получим переменное магнитное поле. И между точками сердечника возникнет, и будет усиливаться ЭДС. Благодаря тому, что сердечник выполнен особенным образом, в нем протекает очень малое количество тока, которое создает достаточно сильное МП. Т.е. при экономии материалов мы получаем разное по необходимости, напряжение.

Автотрансформаторы целесообразнее использовать в областях, где нужно совсем незначительное изменение напряжения и РПН, но на продолжительный отрезок времени. Это лаборатории, небольшие предприятия или домашние хозяйства.

Бывают еще и узкоспециализированные лабораторные трансформаторы, у них несколько иная схема:

Обмотка выполнена из специального ферромагнитного материала, которая сводит вероятность резонансного движения к минимуму. Основные отличия от обычного прибора – это:

1. Кроме ферромагнетика они обмотаны медным проводом;
2. Низкие допустимые параметры – максимальная мощность до 7 кВА;
3. Здесь работает система строчного ролика – на поверхности трансформатора имеется дорожка, по которой передвигается контактирующий ролик или щетка.

Но у такого обмоточного трансформатора есть свои недостатки:

• нужно изолировать вторичные и первичные цепи, т.к. они имеют достаточно сильную электрическую связь;
• нельзя использовать дл защиты в мощных сетях, допустим предел от 6 до 10 кВ;
• ремонт и содержание требует значительных вложений.

Работа гидротрансформатора

Каждый водитель бульдозера либо другой машины, знаком с принципом работы трансформатора АКПП или гидротрасформатора, но какое его назначение. На самом деле, данный прибор является модернизированной муфтой, которая вращается не один раз, а два, газовое оборудование требует установки даже нескольких таких приборов.

Его необходимо установить между двигателем и трансмиссией, чтобы получить вращательное движение, которое после перейдет на колеса. Внешне механизм напоминает бублик, за что и получил такое «прозвище» от автослесарей, но у нег достаточно сложная конструкция:

По краю с обеих сторон встроены насосы, а в центре установлен мини реактор. Последний прибор должен передавать жидкость (масло, к примеру), на турбинное колесо, которое в свою очередь распределяет её равномерно по всей поверхности трансформатора.

Переднее колесо жестко соединено с главным валом машинного двигателя, захватывая жидкость, передает её далее по механизму. Но реактор при необходимости блокирует это движение и выводит колесо из работы.

Помимо блокировки вращающегося момента, конструкция масляного трехобмоточного трансформатора позволяет ему выполнять функции демпфинирования. Т.е., если авто достигло своего предела, скажем, 80 км/час, то для предотвращения несчастного случая вращающийся момент начинает передаваться уже через демпфинирующие пружины. Таким образом, производится защита от холостого хода и резкой остановки двигателя.

Таким образом и можно объяснить принцип работы трансформатора, как видите, все очень похоже, но есть некоторые нюансы у разных моделей в зависимости от области применения и конструкции.

Трансформатор - электрическое устройство, передающее энергию переменного тока от одного контура к другому способом электромагнитного взаимодействия. Большинство трансформаторов состоят из трёх частей: первичная обмотка, вторичная обмотка и сердечник. Трансформатор используется для того, чтобы преобразовывать переменный ток в электропитание для бытовых и промышленных приборов.

Принцип работы трансформатора

Трансформаторы работают по принципу электромагнитного взаимодействия. Чтобы электромагнитное взаимодействие происходило, необходимо присутствие магнитного поля и проводника, между которыми должно происходить относительное движение.

Когда на первичную обмотку трансформатора подаётся переменный ток, вокруг обмотки образуется магнитное поле. Поскольку подаётся переменный ток, меняющий направление каждую половину цикла, ежесекундно происходит многократное расширение и исчезновение магнитного поля. Вторичная обмотка как раз и является тем проводником, который нужен для электромагнитного взаимодействия, а расширение и исчезновение магнитного поля обеспечивает относительное движение. Итак, когда соблюдены все три требования, происходит электромагнитное взаимодействие. В результате, во вторичной обмотке трансформатора индуцируется напряжение.

Назначение и виды трансформатора.

Трансформатор представляет собой статическое электромагнитное оборудование, при работе которого происходит преобразование переменного тока с трансформацией напряжения. Т.е. этот аппарат позволяет его понижать или повышать. Установленные на электростанциях трансформаторы осуществляют на длительные расстояния при высоких напряжениях до 1150кВ. А уже непосредственно в местах потребления происходит понижение напряжения, в пределах 127-660В. При таких значениях обычно работают различные электрические потребители, которые устанавливаются на заводах, фабриках и в жилых домах. Электроизмерительные приборы, электросварка и другие элементы в цепи высокого напряжения также требуют использования трансформатора. Они бывают одно- и трехфазные, двух- и многообмоточные.

Существует несколько видов трансформаторов, каждый из которых определен своими функциями и предназначением. Силовой трансформатор преобразует электрическую энергию в сетях, которые предназначены для использования и приема этой энергии. служит измерением больших токов в устройствах электрических систем. Трансформатор напряжения преобразует высокое напряжение в низкое. Автотрансформатор имеет электрическую и электромагнитную связь, за счет прямого соединения первичной и вторичной обмотки. Импульсный трансформатор преобразует импульсные сигналы. отличается тем, что первичная и вторичная обмотки не связаны друг с другом электрически. Вкратце говоря, во всех видах принцип работы трансформатора чем-то схож. Еще можно выделить гидротрансформатор, принцип работы которого заключается в передаче крутящего момента к коробке передач от двигателя автомобиля. Это устройство позволяет бесступенчато изменять частоту вращения и крутящий момент.

Устройство и принцип действия трансформатора.

Принцип работы трансформатора заключается в проявлении электромагнитной индукции. Это устройство состоит из магнитопровода и двух обмоток, которые расположены на нем. К одной подается электроэнергия, а ко второй подключаются потребители. Как уже указывалось выше, эти обмотки называются первичной и вторичной, соответственно. Магнитопровод выполнен из электротехнической элементы которого изолированы лаком. Его часть, на которой располагаются обмотки, называется стержнем. И именно такая конструкция получила большее распространение, т.к. обладает рядом достоинств - простая изоляция обмоток, простота ремонта, хорошие условия охлаждения. Как видно, принцип работы трансформатора не так уж и сложен.

Существуют еще трансформаторы броневой конструкции, которая значительно уменьшает их габариты. Чаще всего это бывают однофазные трансформаторы. В таком оборудовании боковые ярма играют защитную роль обмотки от механических повреждений. Это очень важный фактор, т.к. малогабаритные трансформаторы не имеют кожуха и находятся с остальным оборудованием в общем месте. чаще всего выполняют с тремя стержнями. Бронестержневая конструкция применяется также в трансформаторах большой мощности. Хоть это и увеличивает расходы электроэнергии, но зато позволяет уменьшать высоту магнитопровода.

Различают трансформаторы по способу соединения стержней: стыковые и шихтованные. В стыковых стержни и ярма собираются раздельно и соединяются крепежными частями. А в шихтованных листы собираются внахлест. Шихтованные трансформаторы получили большее применение, т.к. у них намного выше механическая прочность.

Принцип работы трансформатора также зависит от обмотки, которые бывают цилиндрическими, дисковыми и концентрическими. Оборудование большой и средней мощности имеют газовое реле.